[論文レビュー] Excitation of radiationless anapole mode of isotropic dielectric nanoparticles with tightly focused radially polarized beam

Lei Wei, Zheng Xi+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 24被引用数 64

ひとこと要約

本研究では、高屈折率の等方的誘電ナノスフェアに、きつい焦点化された径方向に偏光したビームを用いて、放射なしのアナポールモードを励起することを示した。2つの反対方向に進むビーム（π位相差を有する）を用いた4π配置を採用することで、電気双極子モーメントとトロイダル双極子モーメントが破壊的干渉を起こし、すべての放射を抑制し、散乱がゼロとなる完全に非放射性のアナポールモードを達成した。これは、強い内部エネルギー吸収があるにもかかわらず実現された。

ABSTRACT

A high index dielectric nano-sphere can be excited and yet remain radiationless. A method to excite the non-radiating anapole mode of a high index isotropic dielectric nanosphere is presented. With tightly focused radially polarized beam illumination, the main-contributing electric dipole mode and magnetic modes can be zero with only a weak electric quadruple contributing to the total scattering. Further, with a standing wave illumination formed by two counter-propagating focused radially polarized beam under $4π$ configuration, the ideal radiationless ananpole can be excited.

研究の動機と目的

• 従来の照明条件下では放射を示すはずの、構造的設計を施さない等方的誘電ナノスフェアにおいて、放射なしのアナポールモードを励起する手法を示すこと。
• 平面波照射下では電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントが同時に励起され、散乱の完全な抑制が困難であるという課題を克服すること。
• 反対方向に進むビームの干渉を用いて励起場を設計することで、理想の非放射的アナポールを達成すること。
• 構造的設計を一切用いずに、ビーム形状の制御と干渉のみで球状粒子内にアナポールモードを実現できることを示すこと。

提案手法

• ナノスフェアの励起に、強力な縦方向電場（Ez）と焦点部での横方向磁場がゼロとなる特徴を持つ、きつい焦点化径方向に偏光したビームを用いた。
• 高数値NA（NA = 0.86）の対物レンズ系における径方向に偏光したビームの焦点場分布を計算するために、リチャード＝ウルフ diffraction 積分が適用された。
• ナノスフェアの散乱および内部エネルギーを計算するために、有限要素法（FEM）シミュレーションが用いられた。
• 2つの等しい強度で反対方向に進む径方向に偏光したビームを用いた4π配置を実装し、強化された縦方向E場と抑制された横方向場を持つ定常波を形成した。
• 4π配置における干渉パターンにより、電気双極子モーメントとトロイダル双極子モーメントが逆位相で励起され、遠方場での破壊的干渉が実現された。
• 散乱パワーと内部エネルギーを波長依存でモニタリングし、放射が消滅するアナポール条件を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的設計を施さずに、等方的誘電ナノスフェアに放射なしのアナポールモードを励起できるか？
• RQ2 きつい焦点化径方向に偏光したビームは、高屈折率ナノスフェアにおいて、電気双極子および磁気双極子の放射を両方とも抑制できるか？
• RQ3 反対方向に進む径方向に偏光したビームを用いた4π配置により、遠方場の放射が完全にキャンセルされつつ、強い内部励起が維持できるか？
• RQ4 単一ビーム励起下における残存散乱に、電気四重極モーメントが果たす役割は何か？
• RQ5 ビーム形状の制御と干渉のみを用いて、球状のミエ粒子においてアナポールモードを実験的に実現できるか？

主な発見

• λ = 464 nm において、単一の焦点化径方向に偏光したビーム照射下でのナノスフェアの散乱パワーは、電気双極子共鳴（λ = 554 nm）の40倍も弱く、放射の強い抑制を示している。
• 強い抑制にもかかわらず、弱い電気四重極寄与が残存し、単一ビーム励起下では完全に非放射的状態に達しない。
• 反対方向に進むビームを用いた4π配置では、λ = 464 nm で散乱パワーが正確にゼロに低下し、理想の非放射的アナポールモードの形成が確認された。
• 粒子が存在しない場合の焦点エネルギーと同一体積内での粒子内部エネルギーは8倍に達し、放射なしの強い励起が確認された。
• 2つの反対方向に進むビームが形成する定常波により、縦方向E場が強化され、横方向場が抑制され、電気双極子とトロイダル双極子の純粋な逆位相励起が可能になった。
• アナポール条件（λ = 464 nm）における放射パターンは、遠方場で検出可能な散乱が一切なく、特にz = 0平面で完全な破壊的干渉が確認された。