[논문 리뷰] Photon Torpedoes and Rytov Pinwheels: Integral-Equation Modeling of Non-Equilibrium Fluctuation-Induced Forces and Torques on Nanoparticles

M. T. Homer Reid, Owen D. Miller외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 07.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 15인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 비균형 상태에서의 열적 플럭투에이션에 기인한 力과 토크를 임의의 형상과 복잡한 물성 조건을 가진 나노입자에서 모델링하기 위해, 변동 전자기역학에 기반한 새로운 적분방정식 프레임워크를 제안한다. 이전에 다루지 못했던 특이점을 처리하기 위해 새로운 분석적 상쇄 기법을 개발함으로써, 이 방법은 미크론 크기의 입자에서 열적 자가 추진, 자가 회전, 운동량 전달을 정확하고 효율적이며 최초로 시뮬레이션할 수 있게 되었으며, 이로써 종단 속도는 마이크론/초 수준, 각속도는 라디안/초 수준으로 나타나며, 입자의 크기와 온도에 강하게 의존하는 토크 반응을 드러내었다.

ABSTRACT

We present new theoretical tools, based on fluctuational electrodynamics and the integral-equation approach to computational electromagnetism, for numerical modeling of forces and torques on bodies of complex shapes and materials due to emission of thermal radiation out of thermal equilibrium. This extends our recently-developed fluctuating-surface-current (FSC) and fluctuating-volume-current (FVC) techniques for radiative heat transfer to the computation of non-equilibrium fluctuation-induced forces and torques; as we show, the extension is non-trivial due to the greater computational cost of modeling radiative momentum transfer, including new singularities that must be carefully neutralized. We introduce a new analytical cancellation technique that addresses these challenges and allows, for the first time, accurate and efficient prediction of non-equilibrium forces and torques on bodies of essentially arbitrary shapes---including asymmetric and chiral particles---and complex material properties, including continuously-varying and anisotropic dielectrics. We validate our approach by showing that it reproduces known results, then present new numerical predictions of non-equilibrium self-propulsion, self-rotation, and momentum-transfer phenomena in complex geometries that would be difficult or impossible to study with existing methods. Our findings indicate that the fluctuation-induced dynamics of micron-size room-temperature bodies in cold environments involve microscopic length scales but macroscopic time scales, with typical linear and angular velocities on the order of microns/second and radians/second; For a micron-scale gear driven by thermal radiation from a nearby chiral emitter, we find a strong and non-monotonic dependence of the magnitude and even the extit{sign} of the induced torque on the temperature of the emitter.

연구 동기 및 목표

• 임의의 기하학적 형상과 복잡한 물성 조건을 가진 물체에 대해 비균형 상태에서의 플럭투에이션에 기인한 力과 토크를 모델링하기 위한 일반 목적의 계산 프레임워크를 개발하는 것.
• 에너지 전달 문제에서는 존재하지 않지만, 운동량 전달 문제에서 나타나는 새로운 특이성으로 인해 발생하는 상당한 계산적 과제를 해결하는 것.
• 이전에 복사열전달에 사용된 변동 표면 전류(FSC) 및 변동 부피 전류(FVC) 방법을 확장하여 운동량과 토크 전달까지 포함하는 것.
• 복잡하고 비대칭적이며 편광성 있는 나노구조에서 열적 자가 추진(TSP), 자가 회전(TSR), 비균형 카시미어 力/토크를 정확하게 예측하는 것.
• 연구자들이 실제 기하학적 형상에서 이러한 현상을 시뮬레이션하고 탐색할 수 있도록 오픈소스이자 무료 소프트웨어 도구를 제공하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 변동 전자기역학에 기반한 적분방정식 설정을 사용하여, 열복사가 변동하는 표면 전류와 부피 전류로 모델링된다.
• 이전에 고려되지 않았던 운동량 전달 커널 내의 특이성을 중화하기 위해 새로운 분석적 상쇄 기법을 도입함으로써 안정적이고 정확한 수치 해를 확보할 수 있게 되었다.
• 비균형 상태에서의 열플럭투에이션에 기인한 전자기장과 力을 계산하기 위해 표면 및 부피 적분방정식을 사용한다.
• 복잡한 기하학과 비등방성, 연속적으로 변화하는 유전율 함수를 다루기 위해 적응형 사다리형 적분과 고차원 이산화 기법을 사용하는 경계요소법을 구현하였다.
• 이 프레임워크는 스칼라 및 벡터 그린 함수를 모두 지원하며, 복사 방출을 통한 운동량 전달을 모델링하기 위해 극화 전류를 통합한다.
• 이 방법은 비균형 카시미어 상호작용에 대한 알려진 결과를 재현함으로써 정확성과 수치적 안정성을 검증하였으며, 비대칭성과 편광성을 가진 입자에서 새로운 현상을 예측하는 데까지 확장되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 형상의 나노입자에서 복잡하고 비등방성 또는 연속적으로 변화하는 유전율 조건을 가진 입자에 대해 비균형 상태에서의 플럭투에이션에 기인한 力과 토크를 어떻게 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 기존의 변동 전류 방법을 에너지 전달에서 운동량 전달로 확장할 때 발생하는 계산적 과제는 무엇이며, 이를 어떻게 극복할 수 있는가?
• RQ3 냉각 환경에서 열적 자가 추진과 자가 회전을 겪는 미크론 크기의 입자에서 도달하는 종단 속도와 각속도는 각각 얼마인가?
• RQ4 근처의 편광성 Rytov 핀휠 발사체의 온도와 물성 조건이 미세 기어에 작용하는 토크의 부호와 크기에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 완전한 필드 수치 모델링 없이도 해석적으로 예측할 수 없는, 원형 편광 평면파에서 반대 부호의 각운동량 흡수 현상이 발생할 수 있는가?

주요 결과

• 실온에서 냉각 진공 환경에 있는 비대칭 미크론 크기의 입자는 수초의 시간 스케일 동안 종단 선속도가 마이크론/초 수준, 각속도가 라디안/초 수준으로 도달한다.
• 고정된 입자 형상에서 선속도나 각속도가 최대가 되는 최적의 크기가 존재하며, 이는 복사 효율성과 관성 사이의 상충 관계를 나타낸다.
• 温난 편광성 Rytov 핀휠은 인접한 미세 기어에 작용하는 토크의 크기와 심지어 부호까지도 온도에 따라 강하게 비단조화적으로 변화시키며, 이는 나노스케일 온도 측정 응용 가능성을 시사한다.
• 이 방법은 비균형 카시미어 상호작용에 대한 알려진 결과를 정확히 재현하여 정확성과 수치적 안정성을 검증하였다.
• 원형 편광 평면파에 의해 조사된 미세 기어의 시뮬레이션은 주파수 창(1.5ω₀ < ω < 2ω₀) 내에서 파동의 편광 부호와 반대 방향의 각운동량을 흡수하는 현상을 드러내었으며, 이는 전역 수치 모델링 없이선 도달할 수 없는 반직관적인 효과이다.
• 이 프레임워크는 기존의 해석적 또는 근사적 방법으로는 해결이 불가능한, 비대칭적이며 복잡한 편광성 나노구조에서의 운동량 전달과 자가 회전을 최초로 정확하게 예측할 수 있게 하였다.