[論文レビュー] The magnetic and electric transverse spin density of spatially confined light

Martin Neugebauer, Jörg S. Eismann+2 more|Max Planck Digital Library|Nov 28, 2017

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、高屈折率ナノ粒子を局所的プローブとして用い、強く集光され空間的に局所化された光ビームにおける磁気的および電気的横スピン密度（TSD）を同時に測定する新規な実験的手法を提示する。この手法により、線形偏光ビームでは磁気的および電気的TSD成分が直交しており、方位角偏光および径方向偏光ビームでは補い合う分布を示すことが明らかとなり、スピン-運動量ロックインにおけるそれらの異なる役割が裏付けられた。

ABSTRACT

When a beam of light is laterally confined, its field distribution can exhibit points where the local magnetic and electric field vectors spin in a plane containing the propagation direction of the electromagnetic wave. The phenomenon indicates the presence of a non-zero transverse spin density. Here, we experimentally investigate this transverse spin density of both magnetic and electric fields, occurring in highly-confined structured fields of light. Our scheme relies on the utilization of a high-refractive-index nano-particle as local field probe, exhibiting magnetic and electric dipole resonances in the visible spectral range. Because of the directional emission of dipole moments which spin around an axis parallel to a nearby dielectric interface, such a probe particle is capable of locally sensing the magnetic and electric transverse spin density of a tightly focused beam impinging under normal incidence with respect to said interface. We exploit the achieved experimental results to emphasize the difference between magnetic and electric transverse spin densities.

研究の動機と目的

• 高密度に閉じ込められた光学場における磁気的および電気的横スピン密度（TSD）を実験的に区別すること。
• ナノスケールで磁気的および電気的TSD成分を同時に再構成可能なプローブベースの手法を開発すること。
• 理論的予測である二重対称性（電磁気的民主主義）が光のTSDに現れるのを、磁気的および電気的寄与を比較することで検証すること。
• 方位角偏光および径方向偏光ビームが、それぞれ純粋に磁気的および純粋に電気的TSDを示すことを実証し、スピン-運動量ロックイン効果の選択的プロービングを可能にすること。

提案手法

• 可視光スペクトルにおいて共鳴する磁気的および電気的ドープル応答を示す高屈折率の誘電体ナノ粒子を、局所的場のプローブとして用いる。
• プローブを誘電体界面の近くに配置し、垂直入射の下でビームで照射する。
• プローブからの散乱光の遠方放射パターンを測定し、電場および磁場の両方の横スピン密度の方向性情報を符号化する。
• 散乱強度の角度依存性を解析して、磁気的および電気的TSD成分の空間的分布を再構成する。
• ガウスビームおよび円筒座標ベクトルビーム（方位角偏光および径方向偏光）のTSDについて理論的モデリングを行い、実験データと比較する。
• 線形偏光ビームを用いて技術を検証し、さらにベクトルビームに応用することで、磁気的および電気的TSDの双対性を強調する。

Figure 1: Transverse spin density (TSD) of a linearly polarized Gaussian beam. (a) depicts the energy density $w$ and the spin density $\mathbf{s}$ (yellow arrowheads). (b) illustrates the transverse $x$ - and $y$ -components of $\mathbf{s}_{E}$ and $\mathbf{s}_{H}$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強く集光された光ビームにおいて、磁気的および電気的横スピン密度成分をどのように実験的に区別できるか。
• RQ2 強く集光された線形偏光ガウスビームにおける磁気的および電気的TSDの空間的分布はいかなるものか。
• RQ3 方位角偏光および径方向偏光ビームにおける磁気的および電気的TSD成分はどのように振る舞い、予測された電磁気的対称性の双対性に従うか。
• RQ4 散乱遠方パターンの実験的測定が、横スピン密度成分をどの程度正確に再構成できるか。
• RQ5 プローブベースの手法が、構造化光場における磁気的および電気的TSD成分の直交性を解像できるか。

主な発見

• 強く集光された線形偏光ガウスビームにおける磁気的および電気的横スピン密度成分が、理論的予測どおりに互いに90°回転した関係にあることが、実験的に観測された。
• 方位角偏光ビームでは、電場が純粋に横方向に保たれ、理論的に電気的TSDはゼロとなるが、実験的に強い磁気的TSDが測定され、純粋に磁気的スピン密度であることが確認された。
• 径方向偏光ビームでは、磁場に横方向成分が現れ、弱い磁気的TSDが生じる一方で、電気的TSDは強く増幅され、純粋に電気的スピン密度であることが確認された。
• ナノ粒子プローブの実験的遠方放射パターンは、理論的シミュレーションと良好に一致しており、磁気的および電気的TSD成分の測定技術が正当化された。
• 結果から、方位角偏光および径方向偏光ビームが、スピン-運動量ロックイン現象における磁気的TSDと電気的TSDの効果を分離して研究するための補完的ツールとして利用可能であることが示された。
• 本研究により、実験的に磁気的および電気的TSD成分の二重対称性を解像することで、光の運動量のスピン角運動量における電磁気的民主主義の原則が裏付けられた。

Figure 2: Experimental concept and setup. (a) Sketch of an incoming tightly focused beam being probed by a silicon nano-particle sitting on a glass substrate. The light scattered and transmitted into the glass half-space is collected in the far field. Only the light emitted into the solid angle abov