[論文レビュー] Consistency of time averaged optical force laws for embedded chiral and achiral objects

M. R. C. Mahdy, Tianhang Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2017

Quantum and Classical Electrodynamics参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、物質的背景中にあるキラルおよび非キラル物体の時間平均光学的力則における不一致を解消するために、応力テンソルに2つの整合性条件を導入する。背景が空気である場合に限り、ミンコフスキーおよびチュー／アインシュタイン＝ラウブの表面力が体積力と一致することを示し、キラルおよび非キラルなミー粒子において、複雑な誘電体環境でも整合性を回復させる修正された定式化を提案する。

ABSTRACT

Although it is commonly believed that all the volumetric optical force laws should lead to the same total optical force for chiral and achiral objects, this idea has been invalidated in some recent works by investigating several previous experiments involving material background. To identify the exact reason of such significant disagreement, we inspect two tractor beam and one lateral force experiments on using distinct stress tensors (STs). To solve the problems of total force, we propose two consistency conditions of time averaged forces. We demonstrate that exactly at the boundary of an object, the difference of the consistent external Minkowski ST and internal ST of Chu (and Einstein-Laub) is found in agreement with the surface force yielded by Chu (and Einstein-Laub) force only when the background is air rather than a material. We identify this as one of the main reasons (among few other identified reasons) of the disagreements observed for real experiments. Finally, based on the proposed consistency conditions, we demonstrate that: by modifying the Einstein-Laub or Chu formulation, time-averaged STs and volume forces are obtainable those can overcome the aforementioned inconsistencies of real experiments for both chiral and achiral Mie objects embedded in even complex material backgrounds.

研究の動機と目的

• 実験で観測される異なる応力テンソル形式間の光学的力測定値の不一致の根本的原因を特定すること。
• 周囲媒質が空気ではなく物質的である場合に、埋め込まれたキラルおよび非キラル物体の時間平均光学的力における不一致を解消すること。
• 体積力と応力テンソルから導かれる表面力の一致を保証する整合性条件を確立すること。
• 複雑な物質的背景でも一貫性を保つように、修正されたアインシュタイン＝ラウブおよびチューの定式化を開発すること。
• トラクタービームおよび横方向力実験を用いて、提案されたフレームワークを検証すること。

提案手法

• 時間平均光学的力に由来する応力テンソル（ST）に対して、体積力と表面力の計算が一致するようにする2つの整合性条件を提案する。
• 2つのトラクタービームおよび1つの横方向力の実験設定を用い、異なる応力テンソル（ミンコフスキー、チュー、アインシュタイン＝ラウブ）を分析する。
• 応力テンソルの体積積分による光学的力と、物体の境界面での同じテンソルから得られる表面力とを比較する。
• 特に、境界面における力の整合性を、空気と物質的背景の両方で評価する。
• 複雑な誘電体環境でも整合性を保つように、アインシュタイン＝ラウブおよびチューの定式化の修正版を導出する。
• ミー散乱理論を用いてキラルおよび非キラル粒子をモデル化し、さまざまな背景媒質下での力を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 埋め込まれた物体を含む実験において、異なる応力テンソル形式が不一致な光学的力をもたらす理由は何か？
• RQ2 周囲媒質が空気ではなく物質的である場合に、体積力と表面力の間に生じる差異の原因は何か？
• RQ3 ミンコフスキー、チュー、アインシュタイン＝ラウブの応力テンソルが一貫した光学的力をもたらす条件は何か？
• RQ4 アインシュタイン＝ラウブおよびチューの応力テンソルの修正版は、複雑な物質的背景でも整合性を回復できるか？
• RQ5 キラリティは、埋め込まれた粒子における光学的力則の一貫性にどのように影響するか？

主な発見

• 外部のミンコフスキー応力テンソルと内部のチュー／アインシュタイン＝ラウブ応力テンソルの差が表面力と一致するのは、背景が空気である場合に限る。
• 力の計算における不一致は、主に誘電体媒質中で境界での応力テンソルの挙動の不一致に起因する。
• 物質的背景では、標準的なアインシュタイン＝ラウブおよびチューの定式化では、表面力計算との比較において一貫性のない全力が得られる。
• 提案された整合性条件は、複雑な誘電体環境下のキラルおよび非キラルなミー粒子について、体積力と表面力をうまく一致させる。
• 整合性条件から導かれた修正版アインシュタイン＝ラウブおよびチューの定式化は、非自明な物質的背景でも一貫した時間平均光学的力をもたらす。
• 本研究では、背景媒質の選択が力の一貫性に顕著に影響することを示しており、空気が特別なケースとして自然に一致が達成されることを明らかにした。