[論文レビュー] Lateral forces on nanoparticles near a surface under circularly-polarized plane-wave illumination

Francisco J. Rodríguez‐Fortuño, Alejandro Martı́nez+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、強度勾配が存在しない状況においても、表面に近接するナノ粒子に対して円偏光平面波が横方向の光学的力を及ぼすことを示している。この力はスピンに依存する双極子散乱および一方向に伝搬するガイドモードの励起に起因し、従来の光学的力と同等の大きさを示す。これにより、平面基板上での光駆動ナノ粒子操作の新たな道筋が開かれる。

ABSTRACT

Optical forces allow manipulation of small particles and control of nanophotonic structures with light beams. Here, we describe a counter-intuitive lateral optical force acting on particles placed above a substrate, under uniform plane wave illumination without any field gradients. We show that under circularly-polarized illumination, nanoparticles experience a lateral force as a result of dipolar, spin-sensitive scattering, with a magnitude comparable to other optical forces. To this end, we rigorously calculate the force experienced by a circularly polarized dipole radiating above a surface. Unlike for linearly-polarized dipoles, force components parallel to the surface can exist, caused by the recoil of unidirectional guided modes excited at the surface and/or by dipole-dipole interactions with the induced image dipole. These results were presented and discussed in conferences [1] and [2].

研究の動機と目的

• 円偏光平面波照射下における表面に近接するナノ粒子の光学的力の挙動を調査すること。
• 強度勾配が存在しない状況で横方向の力がどのように発生するかを説明すること。
• 双極子散乱、像双極子、および表面ガイドモードが横方向力の生成に果たす役割を分析すること。
• スピン感受性光学系における横方向力の厳密な理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 本研究では、平面基板上に配置された双極子的ナノ粒子に及ぼされる光学的力を計算するため、厳密な電磁気理論的手法を採用している。
• 双極子は円偏光を有する点電気双極子としてモデル化され、半無限に広がる誘電体媒質へ放射する。
• 光学的力は、マクスウェルの応力テンソル形式を用いて計算され、直接放射場および散乱場の両方を考慮している。
• 界面で励起される一方向に伝搬するガイドモードの寄与は、グリーン関数技術を用いて明示的に評価されている。
• 粒子の双極子と基板内の像双極子との相互作用は、双極子-双極子相互作用ポテンシャルを介して取り入れられている。
• スピンに依存する散乱と表面モード結合の寄与を明確に区別している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強度勾配が存在しない均一な円偏光平面波照射下でも、表面に近接するナノ粒子に横方向の光学的力が発生するか？
• RQ2 場の勾配が存在しない状況で、これらの横方向力がどのような物理的メカニズムによって生成されるか？
• RQ3 双極子散乱と像双極子相互作用が横方向力にどのように寄与するか？
• RQ4 界面で励起される一方向ガイドモードが横方向力にどの程度寄与するか？
• RQ5 円偏光状態が力の方向および大きさにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 強度勾配が存在しない状況においても、表面に近接するナノ粒子に横方向の光学的力が発生する。
• 横方向力はスピン感受性の双極子散乱および界面で励起された一方向ガイドモードの反動に起因する。
• 力の大きさは従来の勾配力と同等であり、実用的な操作応用に適している。
• 力の方向は円偏光のヘリシティ（右回り・左回り）に依存し、偏光状態による粒子の制御が可能になる。
• 像双極子との双極子-双極子相互作用が横方向力の成分に顕著に寄与している。
• 単一の双極子に対しても力が非ゼロとなることから、近接場相互作用に内在するスピン-軌道結合が示唆される。