[論文レビュー] Radiation forces and torques in optics and acoustics

Ivan Toftul, Sebastian Golat+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2024

Experimental and Theoretical Physics Studies被引用数 7

ひとこと要約

統一的なレビュー：光学および音響放射力とトルクは、構造化波の局所的なエネルギー密度、運動量密度、スピン密度から生じることを示し、理論と応用を詳述する。

ABSTRACT

The mechanical action of various kinds of waves has been recognized for several centuries. The first tide of scientific interest in wave-induced forces and torques emerged at the turn of the 20th century, with the development of wave theories and the concepts of wave momentum and angular momentum. A second surge occurred in the past several decades, driven by technological breakthroughs: the invention of lasers and the controlled generation of structured wave fields. This resulted in major discoveries, including optical trapping and manipulation of small particles, from atomic to micro sizes, as well as acoustic manipulation of larger particles, including biological cells and samples. Nowadays, radiation forces and torques underpin numerous applications: optical and acoustic tweezers, acoustofluidic sorting of biological cells, optomechanical systems operating in both classical and quantum regimes, solar sails, quantum simulators, volumetric displays, etc. In this review, we present a unifying perspective on optical and acoustic forces and torques acting on various particles, addressing both their theoretical foundations and key applications. Our approach relies on the universal connection between the local energy, momentum, and spin densities of wave fields and the principal forces and torques exerted on small particles. Moreover, we describe important cases of nontrivial (e.g., lateral and pulling) forces and complex (e.g., chiral and anisotropic) particles. We also highlight significant experimental achievements involving optical and acoustic manipulation in structured wave fields. Our aim is to illuminate the common fundamental origins and close interconnections between the mechanical actions of optical and acoustic fields, thereby fostering a deeper understanding and advancing the development of optomechanical and acoustomechanical applications.

研究の動機と目的

• 光学と音響における粒子への力とトルクへ、波のエネルギー密度、運動量密度、スピン密度を統一的な枠組みで結びつける。
• canonical momentum と spin densities を用いて Rayleigh 粒子に作用する放射力を決定する方法を説明する。
• 複雑な粒子（異方性、キラル、共鳴）に対する非自明な力とトルクを論じる。
• 構造場における光学および音響の力の実験的成果と応用を調査する。
• 光機械作用と音機械作用の共通の物理的起源と相互関係を強調する。

提案手法

• 波のフラックスを吸収・散乱・それに伴う力/トルクに関連付ける応力テンソル枠組みを採用する。
• 局所エネルギー、運動量、スピン密度の普遍的な結びつきを用いて Rayleigh 粒子に作用する力/トルクを予測する。
• カノニカル運動量と運動動量およびそれらの Belinfante-Rosenfeld 関係を用いて、構造場における力の解釈を行う。
• 異方性・キラル・共鳴などの複雑な粒子や界面・波面整形へ枠組みを拡張する。
• エヴァネセント波、渦ビーム、引く力、および分離応用の例を論じる。
• 光学・音響の力/トルク操作における実験的到達の調査を提供する。

Figure 1: Examples of manifestations of optical and acoustic forces. (a) The story started with Kepler’s 17th-century suggestion that the comet tail is directed away from the sun because of the radiation pressure from the sun light [image by Fred Espenak, NASA GSFC]. (b) Modern manipulation of diele

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単色構造場のカノニカル運動量とスピン密度は、小さな Rayleigh 粒子に対する放射力とトルクをどのように決定するか？
• RQ2 エネルギー、運動量、スピン密度を介して電磁場と音場を結ぶ統一的形式は何か？
• RQ3 複雑な粒子特性（異方性、キラリティ、磁気電気結合）は放射力とトルクをどう修正するか？
• RQ4 構造化場（エヴァネセント波、渦ビーム、波面整形）は引く力や分離といった非自明な力を実現する上でどのような役割を果たすか？
• RQ5 理論と光学・音響操作・分離応用を結ぶ主な実験的マイルストーンは何か？

主な発見

• 局所的なカノニカル運動量とスピン密度は、異方性Rayleigh粒子に対する放射力とトルクを定量的に決定する。
• 構造化場にはカノニカル運動量、運動動量、スピン密度を結ぶ Belinfante-Rosenfeld 関係が存在する。
• 複雑な粒子、特に異方性やキラルの場合、構造照射下で非自明な力とトルクが生じる。
• 構造化した波場は引く力、渦ビームによる捕捉、粒子の正確な光学/音響操作と分離を可能にする。
• この枠組みは光学と音響の放射作用を統一し、局所的ダイナミカル量を介して他の波種にも拡張される。
• 実験的進展により、真空中の GHz スケールの光学トルクと、閉鎖中の kHz スケールの音響トルクが捕捉粒子に対して実証されている。

Figure 2: ‘Executive toys’ based on the first 19th-century experiments on the mechanical action of electromagnetic and acoustic waves. (a) The Crookes radiometer employing vanes with absorbing (black) and reflecting (white) surfaces. (b) Acoustic Dvorak radiometer using Helmholtz resonators radiatin