[論文レビュー] Universal relationships between optical force/torque and orbital versus spin momentum/angular momentum of light

Yikun Jiang, Huajin Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 9被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、単色場における光の線形運動量および角運動量の軌道的成分とスピン成分の間の普遍的関係を確立する。厳密に証明された結果として、光学的力は唯一、軌道的（正準）運動量の移動によって生じるが、スピン運動量は並進対称性が破れた場合でも保存される。一方、光学的トルクは、軌道的およびスピン角運動量の両方の移動によって生じる。これにより、長年の混乱が解消される。

ABSTRACT

We establish universal relationships between optical force/torque on a general particle and different parts of linear and angular momentum (AM) of generic monochromatic optical field. It is rigorously proved that the optical force comes about by the transfer of orbital (canonical) optical momentum from light to matter, while the other part of optical momentum, known as spin momentum, does not generate optical force on matter but, instead, stays conserved even when the translational invariance is broken by putting particles into the optical fields. On the other hand, based on a generic multipole theory of optical torque, we demonstrate that the optical torque stems from the transfer of the total optical AM, including both orbital and spin AM, clarifying in generic case the long-standing confusion about whether the orbital AM can induce a spinning torque on a general particle in generic optical fields.

研究の動機と目的

• 任意の粒子に対して軌道的角運動量が光学的トルクを引き起こすかどうかという長年の混乱を解消すること。
• 光学的力・トルクと光学的線形運動量および角運動量の異なる成分との間の普遍的かつ厳密な関係を確立すること。
• 光-物質相互作用における運動量移動におけるスピン運動量と軌道的運動量の役割を明確にすること。
• 散乱粒子によって並進不変性が破れても、スピン運動量が保存されることを示すこと。
• 軌道的およびスピン角運動量の流れに起因する寄与に分解可能な、多極理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 単色場における時間平均された電磁場量を用いて、光学的トルクの一般多極展開を導出する。
• 自由空間における線形運動量および角運動量の保存則を適用し、無限大の表面におけるフラックス積分の境界条件を導出する。
• 光学的トルクを4つの異なる寄与に分解する：軌道的およびスピン角運動量の流れに起因する消去トルクと反動トルク。
• 入射場および散乱場の多極展開を用いて、トルクの各成分を電気的および磁気的多極モーメントの関数として表現する。
• 複素数の場の微分および多極テンソルの縮約を用いて、トルク成分の明示的表現を導出する。これには ∇(l)E および ∇(l)H を含む項が含まれる。
• フラックス定理および自由空間における角運動量保存則を用いて分解の妥当性を検証し、基本的対称性と整合することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的力は、軌道的運動量の移動に起因するだけであり、スピン運動量の寄与は存在しないのか？
• RQ2 粒子が光場中に存在することで並進対称性が破れても、なぜスピン運動量は保存されるのか？
• RQ3 軌道的角運動量は一般の粒子に対して光学的トルクに寄与するのか、それともトルクは唯一、スピン角運動量に起因するのか？
• RQ4 光学的トルクを、軌道的およびスピン角運動量の流れに起因する寄与にどのように分解できるか？
• RQ5 光学的力・トルクと光の正準運動量、スピン運動量、軌道的運動量、および全角運動量との間の普遍的関係は何か？

主な発見

• 光学的力は、スピン運動量とは独立して、唯一、軌道的（正準）運動量の移動によって生じる。スピン運動量は、並進不変性が破れても保存される。
• スピン運動量は、角運動量移動の役割を果たしても、物質に対する光学的力を生成しない。
• 光学的トルクは、軌道的およびスピン角運動量の両方の移動によって生じる。これにより、軌道的角運動量が任意の粒子に回転トルクを引き起こすことが確認された。
• 軌道的およびスピン角運動量の流れに起因する消去トルクと反動トルクへの分解は、任意の単色場および粒子に対して普遍的に有効である。
• 多極展開を用いて、トルク成分の明示的表現が導出され、電気的および磁気的多極モーメントおよびその微分の寄与が含まれる。
• 形式的枠組みにより、自由空間ではスピン-軌道結合効果が光学的力に現れないが、散乱によってその効果が現れ、トルクは全角運動量移動に起因することが確認された。