[논문 리뷰] Consistency of time averaged optical force laws for embedded chiral and achiral objects

M. R. C. Mahdy, Tianhang Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 02.

Quantum and Classical Electrodynamics참고 문헌 56인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 물질 배경 내에 임bed된 편광성 및 비편광성 물체에 대한 시간 평균 광력 법칙의 모순을 해결하기 위해 응력 텐서에 대한 두 가지 일관성 조건을 도입한다. 배경이 공기일 때만 민코프스키 및 추/아인슈타인-라우 표면력이 부피력과 일치하며, 편광성 및 비편광성 마이 입자에 대해 복잡한 유전체 환경에서도 일관성을 회복하는 수정된 형식을 제안한다.

ABSTRACT

Although it is commonly believed that all the volumetric optical force laws should lead to the same total optical force for chiral and achiral objects, this idea has been invalidated in some recent works by investigating several previous experiments involving material background. To identify the exact reason of such significant disagreement, we inspect two tractor beam and one lateral force experiments on using distinct stress tensors (STs). To solve the problems of total force, we propose two consistency conditions of time averaged forces. We demonstrate that exactly at the boundary of an object, the difference of the consistent external Minkowski ST and internal ST of Chu (and Einstein-Laub) is found in agreement with the surface force yielded by Chu (and Einstein-Laub) force only when the background is air rather than a material. We identify this as one of the main reasons (among few other identified reasons) of the disagreements observed for real experiments. Finally, based on the proposed consistency conditions, we demonstrate that: by modifying the Einstein-Laub or Chu formulation, time-averaged STs and volume forces are obtainable those can overcome the aforementioned inconsistencies of real experiments for both chiral and achiral Mie objects embedded in even complex material backgrounds.

연구 동기 및 목표

• 실제 실험에서 다양한 응력 텐서 형식 간의 광력 측정 불일치의 근본 원인을 규명하기 위해.
• 특히 배경 매질이 공기 외의 물질일 경우에 임베디드된 편광성 및 비편광성 물체에 대한 시간 평균 광력의 불일치를 해결하기 위해.
• 부피력과 응력 텐서에서 유도된 표면력 간의 일치를 보장하는 일관성 조건을 수립하기 위해.
• 복잡한 물질 배경에서도 일관된 광력을 제공하는 수정된 아인슈타인-라우 및 추 형식을 개발하기 위해.
• 트랙터 비임 및 횡방향 힘 실험을 통해 제안된 프레임워크를 검증하기 위해.

제안 방법

• 시간 평균 광력에 대한 두 가지 일관성 조건을 제안하여, 부피력 및 표면력 계산 간의 일치를 보장한다.
• 두 가지 트랙터 비임 및 하나의 횡방향 힘 실험 설정을 분석하며, 각각 다른 응력 텐서(Minkowski, Chu, Einstein-Laub)를 사용한다.
• 응력 텐서의 부피 통합을 통한 총 광력과 동일한 텐서에서 물체 경계에서 유도된 표면력을 비교한다.
• 특히 물체 경계에서의 力 일관성 평가를 수행하며, 배경이 공기인지 물질인지의 차이를 구분한다.
• 복잡한 유전체 환경에서도 일관성을 유지하는 아인슈타인-라우 및 추 형식의 수정된 버전을 유도한다.
• 마이 산란 이론을 사용하여 편광성 및 비편광성 입자를 모델링하고, 다양한 배경 매질에서의 힘을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 임베디드 물체를 포함한 실제 실험에서 다양한 응력 텐서 형식이 불일치하는 광력을 산출하는가?
• RQ2 배경 매질이 공기 외의 물질일 경우 부피력과 표면력 간의 불일치는 무엇에 기인하는가?
• RQ3 민코프스키, 추, 아인슈타인-라우 응력 텐서가 어떤 조건에서 일관된 광력을 산출하는가?
• RQ4 아인슈타인-라우 및 추 응력 텐서의 수정된 형식이 복잡한 물질 배경에서 일관성을 복원할 수 있는가?
• RQ5 편광성은 임베디드 입자에서 광력 법칙의 일관성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 외부 민코프스키 응력 텐서와 내부 추/아인슈타인-라우 응력 텐서 간의 차이가 표면력을 정확히 나타내는 것은 배경이 공기일 때에만 가능하다.
• 배경이 유전체 매질일 경우 응력 텐서 경계 행동의 불일치가 주로 힘 계산의 불일치 원인이다.
• 물질 배경에서는 표준 아인슈타인-라우 및 추 형식이 표면력 계산과 비교할 때 총 힘에 대해 일관성이 없음을 보였다.
• 제안된 일관성 조건은 복잡한 유전체 환경에서 편광성 및 비편광성 마이 입자에 대해 부피력과 표면력을 성공적으로 조율한다.
• 일관성 조건에서 유도된 수정된 아인슈타인-라우 및 추 형식은 비정상적인 물질 배경에서도 일관된 시간 평균 광력을 제공한다.
• 연구는 배경 매질의 선택이 힘 일관성에 결정적인 영향을 미치며, 공기 배경은 자연스럽게 일치가 이루어지는 특수한 케이스임을 입증한다.