[논문 리뷰] Lateral forces on nanoparticles near a surface under circularly-polarized plane-wave illumination

Francisco J. Rodríguez‐Fortuño, Alejandro Martı́nez외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 14.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 강도 기울기가 없는 조건에서도 원형 편광 평면파가 표면 근처의 나노입자에 횡방향 광력 작용을 일으킴을 보여준다. 이 힘은 스핀에 의존하는 이배극 산란과 한 방향으로 진행하는 안내 모드의 자극에 기인하며, 전통적인 광력과 비교할 만큼 크기로 인해 평판 기반 나노입자 조작을 위한 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

Optical forces allow manipulation of small particles and control of nanophotonic structures with light beams. Here, we describe a counter-intuitive lateral optical force acting on particles placed above a substrate, under uniform plane wave illumination without any field gradients. We show that under circularly-polarized illumination, nanoparticles experience a lateral force as a result of dipolar, spin-sensitive scattering, with a magnitude comparable to other optical forces. To this end, we rigorously calculate the force experienced by a circularly polarized dipole radiating above a surface. Unlike for linearly-polarized dipoles, force components parallel to the surface can exist, caused by the recoil of unidirectional guided modes excited at the surface and/or by dipole-dipole interactions with the induced image dipole. These results were presented and discussed in conferences [1] and [2].

연구 동기 및 목표

• 원형 편광 평면파 조명 하에서 표면 근처의 나노입자에 작용하는 광력의 특성을 조사하기 위해.
• 강도 기울기가 없는 조건에서 횡방향 힘이 발생하는 원인을 설명하기 위해.
• 이배극 산란, 영상 이배극, 표면 안내 모드가 횡방향 힘 생성에 미치는 역할을 분석하기 위해.
• 스핀 민감성 광학 시스템에서 횡방향 힘을 위한 엄밀한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 평판 기반 기판 위에 놓인 이배극 나노입자에 작용하는 광력을 계산하기 위해 엄밀한 전자기 이론 접근법을 사용한다.
• 이배극은 원형 편광을 가진 점 전기 이배극으로 모델링되며, 무한한 매질 내에서 방출된다.
• 광력은 맥스웰 스트레스 텐서 기반의 방법을 사용하여 계산되며, 직접 방출장과 산란장 양쪽을 고려한다.
• 경계면에서 자극된 한 방향으로 진행하는 안내 모드의 기여는 그린 함수 기법을 사용하여 명시적으로 평가된다.
• 입자 이배극과 기판 내부의 영상 이배극 간의 상호작용은 이배극-이배극 상호작용 포텐셜을 통해 포함된다.
• 스핀에 의존하는 산란과 표면 모드 결합의 기여를 명확히 구분한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강도 기울기가 없는 균일한 원형 편광 평면파 조명 하에서 표면 근처의 나노입자에 횡방향 광력이 발생할 수 있는가?
• RQ2 장력 기울기가 없는 조건에서 이러한 횡방향 힘을 유도하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이배극 산란과 영상 이배극 상호작용은 횡방향 힘에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 경계면에서 발생하는 한 방향 안내 모드가 횡방향 힘을 얼마나 중시하는가?
• RQ5 원형 편광 상태가 힘의 방향과 크기에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 강도 기울기가 없는 조건에서도 원형 편광 조명 하에서 표면 근처의 나노입자에 횡방향 광력이 발생한다.
• 횡방향 힘은 스핀 민감성 이배극 산란과 경계면에서 자극된 한 방향 안내 모드의 반동에 기인한다.
• 이 힘의 크기는 기존의 기울기 힘과 유사하여 실용적 조작에 유의미한 영향을 미친다.
• 힘의 방향은 원형 편광의 휠림 방향에 따라 달라지며, 이는 편광 제어를 통한 입자 운동 가능성을 열어준다.
• 기판 내의 영상 이배극과의 이배극-이배극 상호작용이 횡방향 힘 성분에 크게 기여한다.
• 단일 이배극의 경우에도 힘이 비영이므로, 근접장 상호작용에서 내재된 스핀-오비탈 연성 효과가 있음을 시사한다.