[논문 리뷰] Breaking of Energy Conservation Law: Creating and Destroying of Energy by Subwavelength Nanosystems

S. V. Kukhlevsky|ArXiv.org|2006. 10. 02.

Photonic and Optical Devices인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 파장 이하의 나노시스템에서 간섭에 의해 에너지 보존 법칙이 위반될 수 있다고 제안한다. 간섭의 강화는 추가 에너지를 생성하고, 상쇄 간섭은 에너지를 소멸시킨다. 파장 이하의 슬릿 배열에 대한 분석적 및 수치적 모델을 사용하여, 최대 5배의 전송 증폭과 특정 위상 조건에서의 에너지 생성 또는 소멸을 입증함으로써, 이러한 시스템에서 에너지 보존의 일반성에 도전한다.

ABSTRACT

The extra energy, negative energy and annihilation of energy by the subwavelength conservative systems that have a wave nature of light or matter (quantum) objects are predicted. The creating and destroying of energy break the energy conservation law in any subwavelength physical system. The paradoxical phenomenon is demonstrated in the context of extraordinary transmission of light and matter through subwavelength apertures [T.W. Ebbesen et al., Nature (London) 391, 667 (1998) and E. Moreno et al., Phys. Rev. Lett. 95, 170406 (2005)].

연구 동기 및 목표

• 파장 이하의 물리적 시스템에서 간섭 효과로 인해 에너지 보존 법칙이 위반될 수 있는지 조사하기 위해.
• 박막한 금속 스크린의 파장 이하의 구멍을 통한 빛의 초월 전달을 분석하여, 잠재적인 에너지 생성 또는 소멸 메커니즘을 규명하기 위해.
• 다중 파장 이하의 슬릿에서 유도된 간섭파의 상호작용을 모델링하고, 기존 에너지 보존 법칙에서의 편차를 정량화하기 위해.
• 원거리 영역에서 위상에 따라 일치하는 간섭파의 초월 중첩이 물질 또는 파동 유형에 관계없이 순수 에너지 생성 또는 소멸을 유도함을 보여주기 위해.
• 파장 이하 간섭과 고전적 에너지 보존 법칙 위반 간의 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 맥스웰 방정식의 엄밀한 해를 구하기 위해 네르호프와 머의 방법을 사용하여, 투명한 이상 도체 스크린에 존재하는 M개의 독립된 파장 이하 슬릿을 모델링하기 위해.
• 원거리 영역에서의 衍射 패턴과 z ≈ 1 mm에서의 총 복사 전력 P(λ)를 계산하여, 슬릿 당 전송 계수 T_M(λ) = P(λ)/(M·P₁)를 결정하기 위해.
• 좁은 슬릿(2a ≪ λ, b ≥ 0)에 대한 분석적 근사법을 적용하여, 굴절된 필드 및 전력 스케일링에 대한 단순화된 표현식을 유도하기 위해.
• 파장 이하의 소스(Λ < λ)에 대해 양의 이중원천 간섭 모델을 적용하여, 간섭에 의해 총 에너지가 변화하는 것을 보여주기 위해.
• 간섭 상호작용 항을 정량화하기 위해 에너지 적분 W = ∫∫(I₁ + I₂ + 2√(I₁I₂)cos(Δφ))dxdy를 유도하기 위해.
• 파장 이하(Λ ≪ λ)와 일반적인 격자(Λ ≫ λ)의 결과를 비교하여, 소스 간격이 파장을 초과할 경우에만 에너지 보존이 유지됨을 보여주기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파장 이하 시스템에서 간섭에 의해 순수 에너지 생성 또는 소멸이 발생하여 고전적 에너지 보존 법칙을 위반할 수 있는가?
• RQ2 파장 이하 슬릿 배열에서 에너지 증폭 또는 소멸을 유도하는 위상 및 소스 간격(Λ) 조건은 무엇인가?
• RQ3 파장 이하 영역에서 슬릿 수 M에 따라 전송 계수 T_M(λ)는 어떻게 변화하는가? 일반 영역과 비교하여 설명하라.
• RQ4 왜 파장 이하 슬릿 배열에서 우드의 비정상성 및 파노-유사 공명이 나타나며, 이는 어떤 방식으로 간섭에 의해 유도된 에너지 비보존과 연결되는가?
• RQ5 파장 이하 시스템에서 빛 또는 물질의 파동 성질이 간섭에 의해 에너지 생성 또는 소멸을 가능하게 하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• M = 300개의 슬릿에서 λ ≈ 1800 nm에서 최대 전송 계수 T_M^max ≈ 5를 달성하며, λ_n ≈ Λ/n에서 공명 피크를 나타낸다.
• 전송 계수 T_M(λ)는 파브리-페로 유사 공명과 파노-유사 선형형태를 보이며, 간섭에 의해 유도된 스펙트럼 조절을 나타낸다.
• 파장 이하 간격(Λ ≪ λ)에서 원거리 영역의 총 에너지 W는 간섭이 강화될 경우(φ₁ - φ₂ = 0) 4W₀에 도달할 수 있으며, 이는 에너지 생성을 보여준다.
• 간섭이 상쇄될 경우(φ₁ - φ₂ = π) 총 에너지 W는 0으로 감소하여 에너지의 완전한 소멸을 나타낸다.
• 에너지 스케일링은 Λ ≪ λ일 경우 T_M ≈ M(선형)에서 Λ ≫ λ일 경우 T_M ≈ 1(일정)으로 변화하며, 이는 에너지 보존이 후자의 경우에만 성립함을 보여준다.
• 모델은 에너지 생성 또는 소멸이 빛 또는 물질의 파동 유형, 개구부 기하학(1D 또는 2D), 또는 물질에 관계없이 위상 일치성과 파장 이하 간격에 의해만 결정됨을 예측한다.