[論文レビュー] Spin and momentum of light fields in dispersive inhomogeneous media with application to the surface plasmon-polariton wave

A. Ya. Bekshaev, Konstantin Y. Bliokh|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2017

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、分散的不均一媒質における運動量と角運動量の統一的記述のための洗練された理論的枠組みを構築し、表面プラズモン極性波（SPP）に適用する。微視的解析により、金属-誘電体界面に鋭く局在化した特異的運動量寄与が確認され、横方向スピンや磁化運動量といった異常なSPPの性質が説明される。

ABSTRACT

Following to the recently published approach [Phys. Rev. Lett. 119, 073901 (2017); New J. Phys., 123014 (2017)], we refine and accomplish the general scheme for the unified description of the momentum and angular momentum in complex media. The equations for the canonical (orbital) and spin linear momenta, orbital and spin angular momenta in a lossless inhomogeneous dispersive medium are presented in the compact form analogous to the Brillouin's relation for the energy. The results are applied to the surface plasmon-polariton (SPP) field, and the microscopic calculations support the phenomenological expectations. The refined general scheme correctly describes the unusual SPP properties (transverse spin, magnetization momentum) and additionally predicts the singular momentum contribution sharply localized at the metal-dielectric interface, which is confirmed by the microscopic analysis. The results can be useful in optical systems employing the structured light, especially for microoptics, plasmophotonics, optical sorting and micromanipulation.

研究の動機と目的

• 損失のない不均一で分散的な媒質における正準運動量およびスピン運動量、並びに軌道的角運動量およびスピン角運動量の統一的理論的記述を確立すること。
• 特に界面における複雑な光学的媒質における運動量および角運動量記述の不整合を解消すること。
• 微視的アプローチを用いて、表面プラズモン極性波（SPP）場に対する現象論的予測を検証すること。
• 金属-誘電体界面に局在化した新たな運動量寄与を同定および特徴付けること。
• 構造光、マイクロオプティクス、および光学的分離技術への応用の基盤を提供すること。

提案手法

• 最近提案された形式（Phys. Rev. Lett. 119, 073901; New J. Phys. 123014）を応用し、分散媒質における運動量および角運動量の記述を拡張すること。
• ブリルアンのエネルギー関係に類似した、正準運動量およびスピン線形運動量、並びに軌道的角運動量およびスピン角運動量の簡潔な式を導出すること。
• 検証のためのテストケースとして、洗練された形式を表面プラズモン極性波（SPP）場に適用すること。
• SPP場の微視的計算により、統一的枠組みの現象論的予測を検証すること。
• 解析的および微視的解析を通じて、金属-誘電体界面に正確に局在化した特異的運動量寄与を同定すること。
• 形式を用いて、横方向スピンや磁化運動量といった非伝統的SPP特性を説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不均一で分散的な媒質における光の正準運動量およびスピン運動量は、どのように一貫して記述できるか？
• RQ2 SPPにおける金属-誘電体界面に局在化した特異的運動量寄与の起源と性質は何か？
• RQ3 統一的運動量および角運動量形式は、SPPで観測された横方向スピンや磁化運動量をどのように説明するか？
• RQ4 微視的計算は、統一的枠組みの現象論的予測をどの程度支持するか？
• RQ5 この洗練された記述は、構造光を用いる光学系にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 洗練された理論的枠組みは、損失のない不均一で分散的な媒質において、正準運動量およびスピン運動量、並びに軌道的角運動量およびスピン角運動量を、簡潔で統一的な形で正確に記述できる。
• モデルは、表面プラズモン極性波（SPP）場において、金属-誘電体界面に鋭く局在化した特異的運動量寄与を予測する。
• 微視的計算により、この特異的運動量寄与が界面に存在し、局在化していることが確認された。
• 形式は、横方向スピンや磁化運動量といった異常なSPP特性を正確に説明できる。
• 結果として、SPPにおける運動量および角運動量構造の矛盾のない説明が得られ、以前の曖昧さが解消された。
• この枠組みは、構造光を用いる光学系、特にマイクロオプティクス、プラズモフォトニクス、および光学的マイクロ操作に適用可能である。