[논문 리뷰] Excitation of radiationless anapole mode of isotropic dielectric nanoparticles with tightly focused radially polarized beam

Lei Wei, Zheng Xi외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 25.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 24인용 수 64

한 줄 요약

이 논문은 강하게 집중된 방사형 편광된 빛을 사용하여 등방성 고굴절률 유전체 나노입자에서 복사 없이 에너지를 축적하는 앙아폴 모드를 유도하는 것을 보여준다. 두 개의 반대 방향으로 진행하는 빛을 π 위상 차이를 두고 4π 구형 구조로 배열함으로써 전기 dipole 및 토이oidal dipole 모멘트가 상쇄되어 모든 복사가 억제되고, 완전히 비복사적인 앙아폴 모드가 실현되며, 이는 산란이 전혀 없음에도 불구하고 강한 내부 에너지 흡수를 수반한다.

ABSTRACT

A high index dielectric nano-sphere can be excited and yet remain radiationless. A method to excite the non-radiating anapole mode of a high index isotropic dielectric nanosphere is presented. With tightly focused radially polarized beam illumination, the main-contributing electric dipole mode and magnetic modes can be zero with only a weak electric quadruple contributing to the total scattering. Further, with a standing wave illumination formed by two counter-propagating focused radially polarized beam under $4π$ configuration, the ideal radiationless ananpole can be excited.

연구 동기 및 목표

• 일반적인 조명 조건에서 복사를 하는 경향이 있는 비구조적 등방성 유전체 나노입자에서 복사 없이 에너지를 축적하는 앙아폴 모드를 유도하는 방법을 보여주는 것.
• 평면파 조명 조건에서 전기 및 자계 dipole 모드가 동시에 유도될 경우 산란이 완전히 억제되지 않는 문제를 해결하는 것.
• 반대 방향으로 진행하는 빛의 간섭을 통해 조명장을 설계하여 이상적인 비복사 앙아폴 모드를 실현하는 것.
• 나노입자의 구조적 변형 없이도 빛의 형태 조절과 간섭을 통해 앙아폴 모드를 실현할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 강하게 집중된 방사형 편광 빛을 사용하여 나노입자를 자극함으로써, 집중부에서 강한 종방향 전기장(Ez)과 횡방향 자기장이 0인 특성을 활용한다.
• 고NA 목표 렌즈 시스템(NA = 0.86)에서 방사형 편광 빛의 집중장 분포를 계산하기 위해 Richard-Wolf 회절 적분을 적용한다.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 통해 집중된 빛 조명 조건 하에서 나노입자의 산란 및 내부 에너지를 계산한다.
• 두 개의 반대 방향으로 진행하는 방사형 편광 빛을 동일한 강도와 π 위상 차이를 두고 4π 구조로 구성함으로써, 강화된 종방향 E장과 억제된 횡방향장을 갖는 정적파를 형성한다.
• 4π 구조에서의 간섭 무늬는 전기 dipole 및 토이oidal dipole 모멘트만 반대 위상으로 자극하게 하여 원거리에서의 상쇄 간섭을 보장한다.
• 스펙트럼적으로 산란 전력과 내부 에너지를 모니터링하여 복사가 사라지는 앙아폴 조건을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비구조적 등방성 유전체 나노입자에서 구조적 변형 없이 복사 없이 에너지를 축적하는 앙아폴 모드를 유도할 수 있는가?
• RQ2 강하게 집중된 방사형 편광 빛이 고굴절률 나노입자에서 전기 및 자계 dipole 복사를 모두 억제할 수 있는가?
• RQ3 반대 방향으로 진행하는 방사형 편광 빛의 4π 구조가 원거리 복사의 완전한 상쇄를 가능하게 하면서도 강한 내부 자극을 유지할 수 있는가?
• RQ4 단일 빛 레이저 조명 조건에서 잔여 산란에 전기 2중극 모멘트가 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 빛의 형태 조절과 간섭을 통해 단순한 레이저 빛으로만 앙아폴 모드를 실험적으로 실현할 수 있는가?

주요 결과

• λ = 464 nm에서 단일 집중된 방사형 편광 빛 조명 조건 하에서 나노입자의 산란 전력은 전기 dipole 공진 조건(λ = 554 nm)에서보다 40배 약해져 복사 억제가 뚜렷하게 나타난다.
• 강한 억제에도 불구하고 약한 전기 2중극 기여로 인해 산란이 0이 되지 않아 단일 빛 조명 조건에서는 완전히 비복사 상태가 되지 않는다.
• 반대 방향으로 진행하는 빛을 사용한 4π 구조에서 λ = 464 nm에서 산란 전력은 정확히 0이 되어 이상적인 비복사 앙아폴 모드가 실현됨을 확인한다.
• 입자가 없을 때와 동일한 부피에서 입자의 내부 에너지가 집중 에너지의 8배에 이르며, 이는 복사 없이도 강한 자극이 이루어졌음을 확인한다.
• 두 개의 반대 방향으로 진행하는 빛이 형성하는 정적파는 종방향 E장을 강화하고 횡방향장을 억제함으로써 순수한 전기 dipole 및 토이oidal dipole 자극이 반대 위상으로 발생하도록 한다.
• 앙아폴 조건(λ = 464 nm)에서의 복사 패턴은 원거리에서 감지 가능한 산란이 전혀 없으며, 특히 z = 0 평면에서 전기 dipole 필드의 완전한 상쇄 간섭이 확인된다.