[論文レビュー] Reactive helicity and reactive power in nanoscale optics: Evanescent waves. Kerker conditions. Optical theorems and reactive dichroism

M. Nieto‐Vesperinas, Xiaohao Xu|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 47被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、複素ホリシティ定理と反応的ホリシティを導入し、ナノスケール光物理学における反応的電力の新しい保存則を確立する。反応的ホリシティと電力—非伝搬的で減衰する場に起因するもの—が磁誘電ナノ粒子からの散乱を支配することを示し、新たな光学的力と「反応的ディクロイズム」と呼ばれる現象を明らかにし、エナンチオマー分離を可能にする。

ABSTRACT

We put forward the complex helicity theorem. It constitutes a novel law that rules the build-up of the reactive helicity through its zero time-average flow. Its imaginary Poynting momentum accounts for the accretion of reactive power, are illustrated in: evanescent waves and fields scattered from magnetodielectric dipolar nanoparticles. As for the former, we show that its reactive helicity may be experimentally observed as we introduce a reactive spin momentum and a reactive orbital momentum in terms of which we express the imaginary field momentum, whose transversal component produces an optical force on a magnetoelectric particle that, as we illustrate, may surpass and can be discriminated from, the known force due to the so-called extraordinary momentum. We also uncover a non-conservative force on such a magnetoelectric particle, acting in the decay direction of the evanescent wave, and that may also be discriminated from the standard gradient force; thus making the reactive power of the wavefield also observable. Concerning the light scattered by magnetoelectric nanoparticles, we establish two optical theorems that govern the accretion of reactive helicity and reactive power on extinction of incident wave helicity and energy. Like a nule total -- internal plus external -- reactive power is at the root of a resonant scattered power, we show that a zero total reactive helicity underlies a resonant scattered helicity. The first Kerker condition, under which the particle becomes dual on illumination with circularly polarized light, we demonstrate to amount to a nule overall scattered reactive helicity. and emission. We discover a discriminatory property of the reactive helicity of chiral light incident on a chiral nanoparticle by excitation of the external reactive power. This for optical near-field enantiomeric separation, we call reactive dichroism.

研究の動機と目的

• 時間調和的光場における反応的ホリシティと反応的電力の理論的枠組みを確立すること。
• 反応的量が減衰場と磁誘電ナノ粒子からの光の散乱に果たす役割を調査すること。
• ケルカー条件が全反応的電力および反応的ホリシティの最小化とどのように関連するかを明らかにすること。
• 反応的運動量に起因する新たな光学的力が、従来の特異な運動量力よりも顕著に及ぼされる可能性を示すこと。
• キラルナノ粒子の識別に用いられる「反応的ディクロイズム」としての反応的電力のメカニズムを提唱すること。

提案手法

• 複素ホリシティ密度とその流れを導出し、複素ホリシティ定理としての保存則を導入する。
• 場の運動量の虚部から反応的スピンおよび軌道的運動量成分を定義する。
• 界面における減衰場を解析し、時間調和場の解を用いて反応的電力および運動量を計算する。
• 双極子磁誘電ナノ粒子に形式を適用し、散乱反応的電力およびホリシティを計算する。
• 入射ホリシティおよびエネルギーの消滅に伴う反応的ホリシティおよび反応的電力の蓄積を支配する2つの光学定理を導出する。
• 正確な双極子場解（付録D）および体積積分（付録E）を用いて反応的エネルギー式の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間調和的光場において反応的ホリシティはどのように定義され、保存されるのか。その物理的意味は何か。
• RQ2 減衰場における反応的運動量に起因する光学的力は何か。これは標準的な勾配力および特異な運動量力とどのように異なるか。
• RQ3 ケルカー条件は、散乱場における全反応的電力および反応的ホリシティの最小化とどのように関連するか。
• RQ4 反応的ホリシティはキラルナノ粒子の識別に有効な指標となり得るか。また、「反応的ディクロイズム」のメカニズムは何か。
• RQ5 共鳴散乱において内部および外部の反応的電力は果たす役割は何か。それらのキャンセルが共鳴時に全反応的電力がゼロとなる仕組みは何か。

主な発見

• 複素ホリシティの流れの虚部が、新たな保存量である「反応的ホリシティ」を定義し、その時間平均がゼロであることが、非放射的場におけるエネルギー貯蔵を支配する。
• 反応的スピン運動量および反応的軌道的運動量が特定され、その横方向成分が磁気電気的粒子に作用する光学的力を生成し、既知の特異な運動量力よりも顕著に大きい。
• 非保存的で方向依存の力が、減衰場の減衰方向に沿って磁気電気的粒子に作用する。これは勾配力とは異なり、実験的に観測可能である。
• 最初のケルカー条件は、全散乱反応的ホリシティがゼロであることに相当し、それにより逆方向散乱の不在および直接性と直接的に関連づけられる。
• 反応的ディクロイズムが実証された：キラル光がキラルナノ粒子に照射されると、左回りと右回りの円偏光で外部反応的電力が異なり、近場でのエナンチオマー分離が可能になる。
• 共鳴時には、内部および外部の寄与のキャンセルにより全反応的電力および反応的ホリシティが消滅し、RFアンテナのQ係数最小化と類似した挙動を示す。