[논문 리뷰] Reactive helicity and reactive power in nanoscale optics: Evanescent waves. Kerker conditions. Optical theorems and reactive dichroism

M. Nieto‐Vesperinas, Xiaohao Xu|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 16.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 47인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 복소 스핀량의 정리와 반응성 스핀량을 도입하여 나노스케일 광학에서 반응성 전력에 대한 새로운 보존 법칙을 수립한다. 반응성 스핀량과 전력은 비진동, 소멸하는 필드와 연결되어 있으며, 이는 자기전도성 나노입자에서의 산란을 지배하며, 새로운 광학적 힘과 '반응성 이형성'이라 불리는 현상을 드러낸다. 이 현상은 대칭성의 분리에 기여한다.

ABSTRACT

We put forward the complex helicity theorem. It constitutes a novel law that rules the build-up of the reactive helicity through its zero time-average flow. Its imaginary Poynting momentum accounts for the accretion of reactive power, are illustrated in: evanescent waves and fields scattered from magnetodielectric dipolar nanoparticles. As for the former, we show that its reactive helicity may be experimentally observed as we introduce a reactive spin momentum and a reactive orbital momentum in terms of which we express the imaginary field momentum, whose transversal component produces an optical force on a magnetoelectric particle that, as we illustrate, may surpass and can be discriminated from, the known force due to the so-called extraordinary momentum. We also uncover a non-conservative force on such a magnetoelectric particle, acting in the decay direction of the evanescent wave, and that may also be discriminated from the standard gradient force; thus making the reactive power of the wavefield also observable. Concerning the light scattered by magnetoelectric nanoparticles, we establish two optical theorems that govern the accretion of reactive helicity and reactive power on extinction of incident wave helicity and energy. Like a nule total -- internal plus external -- reactive power is at the root of a resonant scattered power, we show that a zero total reactive helicity underlies a resonant scattered helicity. The first Kerker condition, under which the particle becomes dual on illumination with circularly polarized light, we demonstrate to amount to a nule overall scattered reactive helicity. and emission. We discover a discriminatory property of the reactive helicity of chiral light incident on a chiral nanoparticle by excitation of the external reactive power. This for optical near-field enantiomeric separation, we call reactive dichroism.

연구 동기 및 목표

• 시간 조화 광장에서 반응성 스핀량과 반응성 전력의 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 비진동파와 자기전도성 나노입자에서의 빛 산란에 있어 반응성 양의 역할을 탐구하기 위해.
• Kerker 조건이 총 반응성 전력과 반응성 스핀량의 최소화와 어떻게 관련되어 있는지 밝히기 위해.
• 반응성 운동량에 기인한 새로운 광학적 힘을 입증하여 기존의 초월 운동량 힘을 초월할 수 있음을 보여주기 위해.
• 반응성 전력을 이용한 편광된 나노입자 분리의 분별 메커니즘으로서 '반응성 이형성'을 도입하기 위해.

제안 방법

• 복소 스핀량 밀도와 그 유량을 유도하여, 복소 스핀량 정리라 불리는 보존 법칙을 도입한다.
• 장 운동량의 허수부로부터 반응성 스핀 및 궤도 운동량 성분을 정의한다.
• 시간 조화 장 해법을 사용하여 인터페이스에서 비진동파를 분석하고, 반응성 전력과 운동량을 계산한다.
• 이 형식을 이방성 자기전도성 나노입자에 적용하여 산란된 반응성 전력과 스핀량을 계산한다.
• 입사 스핀량과 에너지의 소멸과 함께 반응성 스핀량과 반응성 전력의 축적을 지배하는 두 개의 광학 정리를 도출한다.
• 정확한 듀얼 필드 해법(부록 D)과 체적 적분(부록 E)을 사용하여 반응성 에너지 표현식을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 조화 광장에서 반응성 스핀량은 어떻게 정의되고 보존되며, 그 물리적 의미는 무엇인가?
• RQ2 비진동파에서 반응성 운동량에 기인한 광학적 힘은 무엇이며, 기존의 기울기력과 초월 운동량 힘과 어떻게 다를까?
• RQ3 Kerker 조건은 산란된 필드에서 총 반응성 전력과 반응성 스핀량의 최소화와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 반응성 스핀량은 편광된 나노입자에 대한 분별 척도로 기능할 수 있으며, '반응성 이형성'의 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 공진 산란에서 내부 및 외부 반응성 전력의 역할은 무엇이며, 이들의 상쇄가 공진에서 총 반응성 전력이 0이 되는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 복소 스핀량 유량의 허수부는 새로운 보존 양인 반응성 스핀량을 정의하며, 이의 시간 평균이 0이 되는 조건이 비방사 필드 내 에너지 저장을 지배한다.
• 반응성 스핀 운동량과 반응성 궤도 운동량 성분이 확인되었으며, 그 횡방향 성분은 자기전기 입자에 대해 알려진 초월 운동량 힘을 초월하는 광학적 힘을 생성한다.
• 비보존적이고 방향에 따라 달라지는 힘이 비진동파의 감쇠 방향에서 자기전기 입자에 작용하며, 기울기력과는 다름을 보이고 실험적으로 관측 가능하다.
• 첫 번째 Kerker 조건은 산란된 총 반응성 스핀량이 0임을 의미하며, 이는 후방 산란의 부재와 직접성과 직접적으로 연결된다.
• 반응성 이형성이 입증되었다: 편광된 빛이 편광된 나노입자에 입사할 경우, 왼쪽과 오른쪽 원형 편광에 대해 외부 반응성 전력이 다르게 자극되며, 이는 근접장에서 대칭성의 분리에 기여한다.
• 공진 상태에서 내부 및 외부 기여의 상쇄로 인해 총 반응성 전력과 반응성 스핀량이 사라지며, 이는 RF 안테나의 Q 인자 최소화와 유사하다.