[論文レビュー] Photon Torpedoes and Rytov Pinwheels: Integral-Equation Modeling of Non-Equilibrium Fluctuation-Induced Forces and Torques on Nanoparticles

M. T. Homer Reid, Owen D. Miller+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 15被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、フラクチュエーショナル電磁力学に基づく新しい積分方程式フレームワークを提案し、任意の形状と複雑な材料特性を有するナノ粒子における非平衡フラクチュエーション誘起力およびトルクをモデル化する。以前に扱われていなかった特異性に対処するための新しい解析的キャンセレーション技術を開発することで、ミクロンスケール粒子における熱的自己駆動、自己回転、運動量移動の、正確で効率的かつ画期的なシミュレーションが可能となり、終端速度はマイクロメーター/秒およびラジアン/秒のオーダーであり、サイズおよび温度に強く依存するトルク応答が明らかになった。

ABSTRACT

We present new theoretical tools, based on fluctuational electrodynamics and the integral-equation approach to computational electromagnetism, for numerical modeling of forces and torques on bodies of complex shapes and materials due to emission of thermal radiation out of thermal equilibrium. This extends our recently-developed fluctuating-surface-current (FSC) and fluctuating-volume-current (FVC) techniques for radiative heat transfer to the computation of non-equilibrium fluctuation-induced forces and torques; as we show, the extension is non-trivial due to the greater computational cost of modeling radiative momentum transfer, including new singularities that must be carefully neutralized. We introduce a new analytical cancellation technique that addresses these challenges and allows, for the first time, accurate and efficient prediction of non-equilibrium forces and torques on bodies of essentially arbitrary shapes---including asymmetric and chiral particles---and complex material properties, including continuously-varying and anisotropic dielectrics. We validate our approach by showing that it reproduces known results, then present new numerical predictions of non-equilibrium self-propulsion, self-rotation, and momentum-transfer phenomena in complex geometries that would be difficult or impossible to study with existing methods. Our findings indicate that the fluctuation-induced dynamics of micron-size room-temperature bodies in cold environments involve microscopic length scales but macroscopic time scales, with typical linear and angular velocities on the order of microns/second and radians/second; For a micron-scale gear driven by thermal radiation from a nearby chiral emitter, we find a strong and non-monotonic dependence of the magnitude and even the extit{sign} of the induced torque on the temperature of the emitter.

研究の動機と目的

• 任意の幾何形状および複雑な材料特性を有する物体における非平衡フラクチュエーション誘起力およびトルクをモデル化する汎用計算フレームワークの開発。
• エネルギー移動問題に存在しないが、運動量移動において生じる新たな特異性に起因する顕著な計算課題の解消。
• 従来、放射熱伝達にのみ用いられてきたフラクチュエーティング・サーフェス・カレント（FSC）およびフラクチュエーティング・ボリューム・カレント（FVC）手法を、運動量およびトルク移動に拡張。
• 複雑で非対称的かつキラルなナノ構造体における熱的自己駆動（TSP）、自己回転（TSR）、非平衡カシミール力/トルクの正確な予測を可能にする。
• 研究者が現実的な幾何形状においてこれらの現象をシミュレート・探索できる、オープンソースで無料のソフトウェアツールの提供。

提案手法

• 本手法は、フラクチュエーショナル電磁力学に根ざした積分方程式形式を採用し、熱放射をフラクチュエーティング表面電流および体積電流としてモデル化する。
• 運動量移動カーネルに存在する、以前に考慮されていなかった特異性を中和するための新しい解析的キャンセレーション技術を導入し、安定かつ正確な数値解法を可能にする。
• 境界および体積積分方程式を用いて、非平衡状態における熱揺らぎに起因する電磁界および力の計算を実施する。
• 複雑な幾何形状および異方的かつ連続的に変化する誘電関数を扱うために、適応的台形則および高次離散化を用いた境界要素法により実装。
• スカラおよびベクトルグリーン関数を両方サポートし、放射放出による運動量移動をモデル化するための極化電流を統合。
• 非平衡カシミール相互作用に関する既知の結果の再現により、手法の正確性および数値的安定性を検証。この手法は、非対称的およびキラルな粒子における新しい現象の予測へと拡張された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の形状のナノ粒子に対して、複雑で異方的、あるいは連続的に変化する誘電率を有する場合の非平衡フラクチュエーション誘起力およびトルクを、どのように正確にモデル化できるか？
• RQ2 既存のフラクチュエーティング電流手法をエネルギー移動から運動量移動に拡張するにあたり、生じる計算上の課題は何か？ そして、それらはどのように克服できるか？
• RQ3 冷たい環境下で熱的自己駆動および自己回転を示すミクロンスケール粒子の、得られる終端速度および角速度は何か？
• RQ4 近くにキラルなRytovピンホイール発生源が存在する場合、マイクロギアにかかるトルクの符号および大きさは、ピンホイールの温度および材料特性にどのように依存するか？
• RQ5 確定的設定下で、円偏光平面波からの角運動量の逆符号吸収といった直感に反する振る舞いを、形式的枠組みが予測できるか？

主な発見

• 室温で冷たい真空中に置かれたミクロンスケールの非対称粒子は、数秒の timescale で終端線速度がマイクロメーター/秒オーダー、終端角速度がラジアン/秒オーダーに達する。
• 固定された粒子形状に対しては、放射効率と慣性のトレードオフに起因し、線形または角加速度が最大となる最適なサイズが存在する。
• 温められたキラルRytovピンホイールは、近くのマイクロギアにトルクを及ぼすが、その大きさおよび符号はピンホイールの温度に強く非単調に依存しており、ナノスケール温度計測への応用が示唆される。
• 本手法は、非平衡カシミール相互作用に関する既知の結果を正確に再現し、正確性および数値的安定性を裏付けた。
• 円偏光平面波で照射されたマイクロギアのシミュレーションにより、周波数窓（1.5ω₀ < ω < 2ω₀）において、波の偏光の符号とは逆の角運動量を吸収することが判明した。これは、フルフィールド数値モデルによるみかけの効果であり、解析的または近似手法では解明できない。
• 本フレームワークにより、解析的または近似手法では取り扱えない、複雑で非対称的かつキラルなナノ構造体における運動量移動および自己回転の、初の正確な予測が可能となった。