[논문 리뷰] Universal relationships between optical force/torque and orbital versus spin momentum/angular momentum of light

Yikun Jiang, Huajin Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 27.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 9인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 단색 필드에서 빛의 선형 운동량과 각운동량의 궤도적 성분과 스핀 성분 간의 보편적인 관계를 수립한다. 엄밀하게 증명한 바에 따르면, 광학적 힘은 오직 궤도(보편적) 운동량의 이행으로만 발생하며, 스핀 운동량은 이동 대칭성이 깨져도 여전히 보존된다. 반면 광학적 토크는 궤도적 및 스핀 각운동량의 이행으로 발생하며, 이는 오랫동안 애매하게 여겨졌던 이들의 역할을 해결한다.

ABSTRACT

We establish universal relationships between optical force/torque on a general particle and different parts of linear and angular momentum (AM) of generic monochromatic optical field. It is rigorously proved that the optical force comes about by the transfer of orbital (canonical) optical momentum from light to matter, while the other part of optical momentum, known as spin momentum, does not generate optical force on matter but, instead, stays conserved even when the translational invariance is broken by putting particles into the optical fields. On the other hand, based on a generic multipole theory of optical torque, we demonstrate that the optical torque stems from the transfer of the total optical AM, including both orbital and spin AM, clarifying in generic case the long-standing confusion about whether the orbital AM can induce a spinning torque on a general particle in generic optical fields.

연구 동기 및 목표

• 임의의 입자에 대해 궤도적 각운동량이 광학적 토크를 유도할 수 있는지 여부에 대한 오랫동안 애매하게 여겨졌던 혼란을 해결하기 위해.
• 광학적 힘과 토크 사이의 보편적이고 엄밀한 관계를 광학적 선형운동량과 각운동량의 각 성분 간에 수립하기 위해.
• 빛-물질 상호작용 중 스핀 운동량과 궤도 운동량의 역할을 명확히 하기 위해.
• 입자가 광학장에서 산산이 흩어질 때 이동 대칭성이 깨져도 스핀 운동량이 보존된다는 것을 보여주기 위해.
• 궤도적 및 스핀 각운동량 흐름에 기여하는 성분으로 광학적 토크를 분해하는 다극자 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 단색 필드에서 시간 평균 전자기장 양을 사용하여 광학적 토크의 일반적인 다극전개를 유도한다.
• 자유 공간에서 선형운동량과 각운동량의 보존 법칙을 적용하여 무한 면에 대한 플럭스 적분에 대한 경계 조건을 유도한다.
• 광학적 토크를 네 가지 별개의 기여로 분해한다: 궤도적 및 스핀 각운동량 흐름에서 비롯한 퇴적 및 반동 토크.
• 입사 및 산산이 흩어진 필드의 다극전개를 사용하여 토크 성분을 전기 및 자성 다극 모멘트로 표현한다.
• 복소장의 도함수와 다극 텐서의 내적을 통해 토크 성분의 명시적 표현을 유도하며, ∇(l)E 및 ∇(l)H 항을 포함한다.
• 플럭스 정리와 자유 공간에서의 각운동량 보존을 통해 분해를 검증하여 기본 대칭성과의 일관성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학적 힘은 궤도 운동량의 이행으로만 기인하는가, 아니면 스핀 운동량의 기여도 있는가?
• RQ2 입자가 광학장에서 산산이 흩어지면서 이동 대칭성이 깨져도 스핀 운동량이 왜 보존되는가?
• RQ3 일반적인 입자에 대해 궤도적 각운동량이 광학적 토크에 기여하는가, 아니면 토크는 오직 스핀 각운동량에 의해서만 발생하는가?
• RQ4 광학적 토크는 어떻게 궤도적 및 스핀 각운동량 흐름의 기여로 분해할 수 있는가?
• RQ5 광학적 힘/토크와 빛의 보편적, 스핀, 궤도, 총 각운동량 사이의 보편적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 광학적 힘은 오직 궤도(보편적) 운동량의 이행으로만 발생하며, 스핀 운동량은 이동 대칭성이 깨져도 여전히 보존된다.
• 스핀 운동량은 각운동량 이행의 역할을 하긴 하지만, 물질에 광학적 힘을 유도하지는 않는다.
• 광학적 토크는 궤도적 및 스핀 각운동량의 이행으로 발생하며, 이는 궤도적 각운동량이 임의의 입자에 대해 회전 토크를 유도할 수 있음을 확인한다.
• 궤도적 및 스핀 각운동량 흐름에서 기인한 퇴적 및 반동 토크로의 광학적 토크 분해는 임의의 단색장과 입자에 대해 보편적으로 유효하다.
• 다극 전개를 통해 전기 및 자성 다극 모멘트와 그 도함수의 기여를 포함한 토크 성분의 명시적 표현이 도출되었다.
• 이 형식은 자유 공간에서는 스핀-궤도 결합 효과가 없음을 확인하며, 산산이 흩어질 때 총 각운동량 이행으로 인해 토크가 발생함을 보여준다.