[논문 리뷰] The magnetic and electric transverse spin density of spatially confined light

Martin Neugebauer, Jörg S. Eismann외 2명|Max Planck Digital Library|2017. 11. 28.

Orbital Angular Momentum in Optics인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고굴절률 나노입자를 국소적 탐침으로 사용하여, 겹쳐진 공간적으로 국한된 빛의 비스듬한 전자기장에서 자기 및 전기 횡방향 스핀 밀도(TSD)를 동시에 측정하는 새로운 실험 기법을 제시한다. 이 방법은 선형 편광 빛 빔에서 자기 및 전기 TSD 성분이 서로 수직임을 드러내며, 원형 및 방사형 편광 빛 빔에서 이 성분들이 상보적인 분포를 보임을 확인하여 스핀-운동량 결속 현상에서 각각 다른 역할을 한다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

When a beam of light is laterally confined, its field distribution can exhibit points where the local magnetic and electric field vectors spin in a plane containing the propagation direction of the electromagnetic wave. The phenomenon indicates the presence of a non-zero transverse spin density. Here, we experimentally investigate this transverse spin density of both magnetic and electric fields, occurring in highly-confined structured fields of light. Our scheme relies on the utilization of a high-refractive-index nano-particle as local field probe, exhibiting magnetic and electric dipole resonances in the visible spectral range. Because of the directional emission of dipole moments which spin around an axis parallel to a nearby dielectric interface, such a probe particle is capable of locally sensing the magnetic and electric transverse spin density of a tightly focused beam impinging under normal incidence with respect to said interface. We exploit the achieved experimental results to emphasize the difference between magnetic and electric transverse spin densities.

연구 동기 및 목표

• 강하게 국한된 광장에서 자기 및 전기 횡방향 스핀 밀도(TSD)를 실험적으로 구분하는 것.
• 나노스케일에서 자기 및 전기 TSD 성분을 동시에 재구성할 수 있는 탐침 기반 방법을 개발하는 것.
• 이론적 예측된 이중 대칭성(전자기 민주주의)이 TSD에서 어떻게 나타나는지 비교 분석하여 검증하는 것.
• 원형 및 방사형 편광 빛 빔이 각각 순수한 자기 및 순수한 전기 TSD를 갖는다는 것을 입증하여 스핀-운동량 결속 효과를 선택적으로 탐측할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 고굴절률의 비도체 나노입자를 가시광선 영역에서 공진하는 자기 및 전기 듀플렉스 반응을 갖는 국소적 전기장 탐침으로 사용한다.
• 탐침을 유전체 표면 근처에 위치시키고 수직 입사 조건에서 강하게 집중된 빛 빔으로 조명한다.
• 탐침에서 산산이 산산이 흩어진 빛의 원거리 방출 패턴을 측정하여 전기 및 자기장의 횡방향 스핀 밀도의 방향 정보를 암호화한다.
• 산산이 흩어진 강도의 각도 의존성을 분석하여 자기 및 전기 TSD 성분의 공간 분포를 재구성한다.
• 가우시안 빛 빔과 원통형 벡터 빛 빔(원형 및 방사형 편광)에 대해 TSD의 이론적 모델링을 수행하여 실험 데이터와 비교한다.
• 선형 편광 빛 빔을 사용하여 기술의 타당성을 검증하고, 이를 바탕으로 벡터 빛 빔에 적용하여 전자기 대칭성의 이중성 특성을 부각시킨다.

Figure 1: Transverse spin density (TSD) of a linearly polarized Gaussian beam. (a) depicts the energy density $w$ and the spin density $\mathbf{s}$ (yellow arrowheads). (b) illustrates the transverse $x$ - and $y$ -components of $\mathbf{s}_{E}$ and $\mathbf{s}_{H}$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강하게 집중된 빛 빔에서 자기 및 전기 횡방향 스핀 밀도 성분을 어떻게 실험적으로 구분할 수 있는가?
• RQ2 강하게 집중된 선형 편광 가우시안 빛 빔에서 자기 및 전기 TSD의 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 원형 및 방사형 편광 빛 빔에서 자기 및 전기 TSD 성분은 어떻게 행동하며, 전자기 대칭성의 예측된 이중성과 일치하는가?
• RQ4 산산이 흩어진 원거리 방출 패턴의 실험 측정이 횡방향 스핀 밀도 성분을 얼마나 정확히 재구성하는가?
• RQ5 탐침 기반 방법이 구조화된 빛 필드에서 자기 및 전기 TSD 성분의 수직 성격을 해소할 수 있는가?

주요 결과

• 강하게 집중된 선형 편광 가우시안 빛 빔에서 자기 및 전기 횡방향 스핀 밀도 성분이 이론적 예측과 일치하여 서로 90도 회전된 상태로 실험적으로 관측되었다.
• 원형 편광 빛 빔에서 전기장은 여전히 순수하게 횡방향이므로 이론적으로 전기 TSD는 0이 되며, 실험적으로 강한 자기 TSD가 측정되어 순수한 자기 스핀 밀도임을 확인하였다.
• 방사형 편광 빛 빔에서 자기장은 횡방향 성분을 갖게 되어 약한 자기 TSD를 유도하지만, 전기 TSD는 크게 증폭되어 순수한 전기 스핀 밀도임을 확인하였다.
• 나노입자 탐침의 실험적 원거리 방출 패턴은 이론적 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보였으며, 이는 자기 및 전기 TSD 성분에 대한 측정 기술의 타당성을 검증하였다.
• 결과적으로 원형 및 방사형 편광 빛 빔이 스핀-운동량 결속 현상에서 자기 TSD와 전기 TSD의 효과를 고립하고 연구하는 데 상호 보완적인 도구로 사용될 수 있음을 보여주었다.
• 연구는 실험적으로 자기 및 전기 TSD 성분의 이중 대칭성을 해소함으로써 빛의 스핀 운동량에서 전자기 민주주의 원리를 확인하였다.

Figure 2: Experimental concept and setup. (a) Sketch of an incoming tightly focused beam being probed by a silicon nano-particle sitting on a glass substrate. The light scattered and transmitted into the glass half-space is collected in the far field. Only the light emitted into the solid angle abov