Controlled trapping of light-absorbing nanoparticles with low-power optical tweezers is crucial for remote manipulation of small objects. This study takes advantage of the synergetic effects of tightly confined local fields of plasmonic nanoaperture, self-induced back-action (SIBA) of nanoparticles, and resonant optical trapping method to demonstrate enhanced manipulation of Janus nanoparticles in metallic nanohole aperture. We theoretically demonstrate that displacement of Au-coated Janus nanoparticles toward plasmonic nanoaperture and proper orientation of the metal coating give rise to enhanced near-field intensity and pronounced optical force. We also explore the effect of resonant optical trapping by employing a dual-laser system, where an on-resonant green laser excites the metal-coated nanoparticle, whereas an off-resonant near-infrared laser plays trapping role. It is found that, at the optimum nanoparticle configuration, the resonant optical trapping technique can result in threefold enhancement of optical force, which is attributed to the excitation of surface plasmon resonance in Janus nanoparticles. The findings of this study might pave the way for low-power optical manipulation of light-absorbing nanoparticles with possible applications in nanorobotics and drug delivery.

1.
X.
Zhang
,
Q.
Fu
,
H.
Duan
,
J.
Song
, and
H.
Yang
,
ACS Nano
15
(
4
),
6147
6191
(
2021
).
2.
Y.
Yi
,
L.
Sanchez
,
Y.
Gao
, and
Y.
Yu
,
Analyst
141
,
3526
(
2016
).
3.
Y.
Zhang
,
K.
Huang
,
J.
Lin
, and
P.
Huang
,
Biomater. Sci.
7
,
1262
1275
(
2019
).
4.
H.
Ding
,
P. S.
Kollipara
,
Y.
Kim
,
A.
Kotnala
,
J.
Li
,
Z.
Chen
, and
Y.
Zheng
,
Sci. Adv.
8
,
eabn8498
(
2022
).
5.
S.
Nedev
,
S.
Carretero-Palacios
,
P.
Kühler
,
T.
Lohmüller
,
A. S.
Urban
,
L. J. E.
Anderson
, and
J.
Feldmann
,
ACS Photonics
2
(
4
),
491
496
(
2015
).
6.
O.
Ilic
,
I.
Kaminer
,
B.
Zhen
,
O. D.
Miller
,
H.
Buljan
, and
M.
Soljačić
,
Sci. Adv.
3
,
e1602738
(
2017
).
7.
F. S.
Merkt
,
A.
Erbe
, and
P.
Leiderer
,
New. J. Phys.
8
,
216
216
(
2006
).
8.
A. S.
Urban
,
S.
Carretero-Palacios
,
A. A.
Lutich
,
T.
Lohmuller
,
J.
Feldmann
, and
F.
Jackel
,
Nanoscale
6
,
4458
4474
(
2014
).
9.
H.-R.
Jiang
,
N.
Yoshinaga
, and
M.
Sano
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
268302
(
2010
).
10.
S. M.
Mousavi
,
I.
Kasianiuk
,
D.
Kasyanyuk
,
S. K. P.
Velu
,
A.
Callegari
,
L.
Biancofiore
, and
G.
Volpe
,
Soft Matter
15
,
5748
5759
(
2019
).
11.
J.
Berthelot
,
S. S.
Acimovic
,
M. L.
Juan
,
M. P.
Kreuzer
,
J.
Renger
, and
R.
Quidant
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
295
299
(
2014
).
12.
G.
Tkachenko
,
V. G.
Truong
,
C. L.
Esporlas
,
I.
Sanskriti
, and
S. N.
Chormaic
,
Nat. Commun.
14
,
1691
(
2023
).
13.
L.
Novotny
,
R. X.
Bian
, and
X. S.
Xie
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
645
648
(
1997
).
14.
M. L.
Juan
,
M.
Righini
, and
R.
Quidant
,
Nat. Photonics
5
,
349
356
(
2011
).
15.
H.
Li
,
Y.
Cao
,
L.-M.
Zhou
,
X.
Xu
,
T.
Zhu
,
Y.
Shi
,
C.-W.
Qiu
, and
W.
Ding
,
Adv. Opt. Photonics
12
,
288
366
(
2020
).
16.
Y.
Yang
,
Y.
Ren
,
M.
Chen
,
Y.
Arita
, and
C.
Rosales-Guzmán
,
Adv. Photonics
3
(
3
),
034001
(
2021
).
17.
Y.
Shi
,
X.
Xu
,
M.
Nieto-Vesperinas
,
Q.
Song
,
A. Q.
Liu
,
G.
Cipparrone
,
Z.
Su
,
B.
Yao
,
Z.
Wang
,
C.-W.
Qiu
, and
X.
Cheng
,
Adv. Opt. Photonics
15
(
3
),
835
906
(
2023
).
18.
D.
Gao
,
W.
Ding
,
M.
Nieto-Vesperinas
,
X.
Ding
,
M.
Rahman
,
T.
Zhang
,
C.
Lim
, and
C.-W.
Qi
,
Light. Sci. Appl.
6
(
9
),
e17039
e17039
(
2017
).
19.
Y.
Shi
,
T.
Zhu
,
A. Q.
Liu
,
L.-M.
Zhou
,
M.
Nieto-Vesperinas
,
A.
Hassanfiroozi
,
J.
Liu
,
D. P.
Tsai
,
Z.
Li
,
W.
Ding
,
F.
Wang
,
H.
Li
,
Q.
Song
,
X.
Xu
,
B.
Li
,
X.
Cheng
,
P. C.
Wu
,
C. T.
Chan
, and
C.-W.
Qiu
,
Phys. Rev. Lett.
129
(
5
),
053902
(
2022
).
20.
Y.
Shi
,
T.
Zhu
,
T.
Zhang
,
A.
Mazzulla
,
D. P.
Tsai
,
W.
Ding
,
A. Q.
Liu
,
G.
Cipparrone
,
J. J.
Sáenz
, and
C.-W.
Qiu
,
Light Sci. Appl.
9
(
1
),
62
(
2020
).
21.
Y.
Zhang
,
C.
Min
,
X.
Dou
,
X.
Wang
,
H. P.
Urbach
,
M. G.
Somekh
, and
X.
Yuan
,
Light Sci. Appl.
10
(
1
),
59
(
2021
).
22.
Z.-H.
Lin
,
J.
Zhang
, and
J.-S.
Huang
,
Nanoscale
13
(
20
),
9185
9192
(
2021
).
23.
D. G.
Kotsifaki
and
S.
Nic Chormaic
,
Nanophotonics
8
(
7
),
1227
1245
(
2019
).
24.
T.
Shoji
and
Y.
Tsuboi
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
(
17
),
2957
2967
(
2014
).
25.
26.
A. N.
Koya
,
J.
Cunha
,
T.-L.
Guo
,
A.
Toma
,
D.
Garoli
,
T.
Wang
,
S.
Juodkazis
,
D.
Cojoc
, and
R. P.
Zaccaria
,
Adv. Opt. Mater.
8
(
7
),
1901481
(
2020
).
27.
Y.
Ren
,
Q.
Chen
,
M.
He
,
X.
Zhang
,
H.
Qi
, and
Y.
Yan
,
ACS Nano
15
(
4
),
6105
6128
(
2021
).
28.
A. N.
Koya
,
J.
Kuttruff
,
T.
Tapani
,
A. V.
Rodríguez
,
S.
Sarkar
,
O.
Vaccarelli
, and
N.
Maccaferri
,
Proc. SPIE
12131
,
1213111
(
2022
).
29.
J.-A.
Huang
,
M. Z.
Mousavi
,
Y.
Zhao
,
A.
Hubarevich
,
F.
Omeis
,
G.
Giovannini
,
M.
Schütte
,
D.
Garoli
, and
F.
De Angelis
,
Nat. Commun.
10
,
5321
(
2019
).
30.
J. ‐A.
Huang
,
M. Z.
Mousavi
,
G.
Giovannini
,
Y.
Zhao
,
A.
Hubarevich
,
M. A.
Soler
,
W.
Rocchia
,
D.
Garoli
, and
F.
De Angelis
,
Angew. Chem., Int. Ed.
59
(
28
),
11423
11431
(
2020
).
31.
G. C.
Messina
,
X.
Zambrana-Puyalto
,
N.
Maccaferri
,
D.
Garoli
, and
F.
De Angelis
,
Nanoscale
12
(
15
),
8574
8581
(
2020
).
32.
A. N.
Koya
,
Adv. Photonics Res.
3
(
3
),
2100325
(
2022
).
33.
M.-K.
Kim
,
H.
Sim
,
S. J.
Yoon
,
S.-H.
Gong
,
C. W.
Ahn
,
Y.-H.
Cho
, and
Y.-H.
Lee
,
Nano Lett.
15
(
6
),
4102
4107
(
2015
).
34.
A. A.
Al Balushi
,
A.
Kotnala
,
S.
Wheaton
,
R. M.
Gelfand
,
Y.
Rajashekara
, and
R.
Gordon
,
Analyst
140
,
4760
4778
(
2015
).
35.
A. N.
Koya
and
A.
Parracino
,
Proc. SPIE
12131
,
1213102
(
2022
).
36.
R.
Gordon
,
Opt. Laser Technol.
109
,
328
335
(
2019
).
37.
M. L.
Juan
,
R.
Gordon
,
Y.
Pang
,
F.
Eftekhari
, and
R.
Quidant
,
Nat. Phys.
5
,
915
919
(
2009
).
38.
C.
Chen
,
M. L.
Juan
,
Y.
Li
,
G.
Maes
,
G.
Borghs
,
P. V.
Dorpe
, and
R.
Quidant
,
Nano Lett.
12
(
1
),
125
132
(
2012
).
39.
Z.
Xu
,
W.
Song
, and
K. B.
Crozier
,
ACS Photonics
5
(
7
),
2850
2859
(
2018
).
40.
A.
Lehmuskero
,
P.
Johansson
,
H.
Rubinsztein-Dunlop
,
L.
Tong
, and
M.
Käll
,
ACS Nano
9
(
4
),
3453
3469
(
2015
).
41.
S. E. S.
Spesyvtseva
and
K.
Dholakia
,
ACS Photonics
3
(
5
),
719
736
(
2016
).
42.
T. D.
Bouloumis
,
D. G.
Kotsifaki
, and
S. N.
Chormaic
,
Nano Lett.
23
(
11
),
4723
4731
(
2023
).
43.
C.
Zhang
,
J.
Li
,
J. G.
Park
,
Y.-F.
Su
,
R. E.
Goddard
, and
R. M.
Gelfand
,
Appl. Opt.
58
,
9498
9504
(
2019
).
44.
T.
Kudo
,
H.
Ishihara
, and
H.
Masuhara
,
Opt. Express
25
,
4655
4664
(
2017
).
45.
C.-H.
Huang
,
T.
Kudo
,
R.
Bresolí-Obach
,
J.
Hofkens
,
T.
Sugiyama
, and
H.
Masuhara
,
Opt. Express
28
,
27727
27735
(
2020
).
46.
R.
Bresolí-Obach
,
T.
Kudo
,
B.
Louis
,
Y.-C.
Chang
,
I. G.
Scheblykin
,
H.
Masuhara
, and
J.
Hofkens
,
ACS Photonics
8
(
6
),
1832
1839
(
2021
).
47.
K. C.
Toussaint
,
M.
Liu
,
M.
Pelton
,
J.
Pesic
,
M. J.
Guffey
,
P.
Guyot-Sionnest
, and
N. F.
Scherer
,
Opt. Express
15
,
12017
12029
(
2007
).
48.
Y.
Lu
,
G.
Du
,
F.
Chen
,
Q.
Yang
,
H.
Bian
,
J.
Yong
, and
X.
Hou
,
Sci. Rep.
6
,
32675
(
2016
).
49.
M. S.
Aporvari
,
F.
Kheirandish
, and
G.
Volpe
,
Opt. Lett.
40
,
4807
4810
(
2015
).
50.
N.
Li
,
J.
Cadusch
, and
K.
Crozier
,
Opt. Lett.
44
,
5250
5253
(
2019
).
51.
Q.
Jiang
,
P.
Roy
,
J.-B.
Claude
, and
J.
Wenger
,
Nano Lett.
21
(
16
),
7030
7036
(
2021
).
52.
N.
Maccaferri
,
G.
Barbillon
,
A. N.
Koya
,
G.
Lu
,
G. P.
Acuna
, and
D.
Garoli
,
Nanoscale Adv.
3
(
3
),
633
642
(
2021
).
53.
P.
Mestres
,
J.
Berthelot
,
S. S.
Aćimović
, and
R.
Quidant
,
Light. Sci. Appl.
5
,
e16092
(
2016
).
54.
N.
Maccaferri
,
P.
Vavassori
, and
D.
Garoli
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
193102
(
2021
).
55.
A. A. E.
Saleh
and
J. A.
Dionn
,
Nano Lett.
12
,
5581
(
2012
).
56.
D.
Yoo
,
K. L.
Gurunatha
,
H.-K.
Choi
,
D. A.
Mohr
,
C. T.
Ertsgaard
,
R.
Gordon
, and
S.-H.
Oh
,
Nano Lett.
18
(
6
),
3637
3642
(
2018
).
57.
Q.
Jiang
,
B.
Rogez
,
J.-B.
Claude
,
G.
Baffou
, and
J.
Wenger
,
ACS Photonics
6
,
1763
1773
(
2019
).
58.
B.
Rogez
,
Z.
Marmri
,
F.
Thibaudau
, and
G.
Baffou
,
APL Photonics
6
,
101101
(
2021
).
59.
W. M.
Haynes
,
CRC Handbook of Chemistry and Physics
(
CRC Press
,
2014
).
60.
A. N.
Koya
,
J.
Cunha
,
K. A.
Guerrero-Becerra
,
D.
Garoli
,
T.
Wang
,
S.
Juodkazis
, and
R. P.
Zaccaria
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2103706
(
2021
).
61.
L.
Neumeier
,
R.
Quidant
, and
D. E.
Chang
,
New J. Phys.
17
,
123008
(
2015
).
62.
W.
Zhang
and
O. J. F.
Martin
,
ACS Photonics
2
(
1
),
144
150
(
2015
).
63.
J. P.
Gordon
and
A.
Ashkin
,
Phys. Rev. A.
21
,
1606
(
1980
).
64.
R.-H.
Chai
,
W.-J.
Zou
,
J.
Qian
,
J.
Chen
,
Q.
Sun
, and
J.-J.
Xu
,
Opt. Express
27
,
32556
32566
(
2019
).
65.
K.
Svoboda
and
S. M.
Block
,
Opt. Lett.
19
,
930
932
(
1994
).
66.
Z.
Zhu
,
Y.
Zhang
,
A. J. L.
Adam
,
C.
Min
,
H. P.
Urbach
, and
X.
Yuan
,
Opt. Commun.
541
,
129572
(
2023
).
67.
J.-D.
Kim
and
Y.-G.
Lee
,
Biomed. Opt. Express
5
,
2471
(
2014
).
68.
G.
Qiu
,
Y.
Du
,
Y.
Guo
,
Y.
Meng
,
Z.
Gai
,
M.
Zhang
,
J.
Wang
, and
A.
deMello
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
14
(
42
),
47409
47419
(
2022
).
69.
A. N.
Koya
,
X.
Zhu
,
N.
Ohannesian
,
A. A.
Yanik
,
A.
Alabastri
,
R. P.
Zaccaria
,
R.
Krahne
,
W.-C.
Shih
, and
D.
Garoli
,
ACS Nano
15
(
4
),
6038
6060
(
2021
).
70.
A. N.
Koya
and
W.
Li
,
Nanophotonics
12
,
2103
2113
(
2023
).
71.
A. N.
Koya
,
M.
Romanelli
,
J.
Kuttruff
,
N.
Henriksson
,
A.
Stefancu
,
G.
Grinblat
,
A.
De Andres
,
F.
Schnur
,
M.
Vanzan
,
M.
Marsili
,
M.
Rahaman
,
A. V.
Rodríguez
,
T.
Tapani
,
H.
Lin
,
B. D.
Dana
,
J.
Lin
,
G.
Barbillon
,
R. P.
Zaccaria
,
D.
Brida
,
D.
Jariwala
,
L.
Veisz
,
E.
Cortés
,
S.
Corni
,
D.
Garoli
, and
N.
Maccaferri
,
Appl. Phys. Rev.
10
,
021318
(
2023
).
72.
B. D.
Dana
,
J.
Boyu
,
J.
Lin
,
L.
Li
,
A. N.
Koya
, and
W.
Li
,
Adv. Sensor Res.
(published online, 2023).
73.
D. B.
Ciriza
,
A.
Callegari
,
M. G.
Donato
,
B.
Çiçek
,
A.
Magazzù
,
I.
Kasianiuk
,
D.
Kasyanyuk
,
F.
Schmidt
,
A.
Foti
,
P. G.
Gucciardi
,
G.
Volpe
,
M.
Lanza
,
L.
Biancofiore
, and
O. M.
Maragò
,
ACS Photonics
10
(
9
),
3223
3232
(
2023
).
74.
Y.
Liu
,
H.
Ding
,
J.
Li
,
X.
Lou
,
M.
Yang
, and
Y.
Zheng
,
eLight
2
,
13
(
2022
).
75.
I. D.
Stoev
,
B.
Seelbinder
,
E.
Erben
,
N.
Maghelli
, and
M.
Kreysing
,
eLight
1
,
7
(
2021
).
76.
A.
Minopoli
,
S.
Wagner
,
E.
Erben
,
W.
Liao
,
I. D.
Stoev
,
E.
Lauga
, and
M.
Kreysing
,
eLight
3
,
16
(
2023
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.