[论文解读] Universal relationships between optical force/torque and orbital versus spin momentum/angular momentum of light

Yikun Jiang, Huajin Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 9被引用 12

一句话总结

本文建立了单色场中光的轨道与自旋分量的线动量和角动量之间光学力/力矩的普遍关系。严格证明了光学力仅源于轨道（规范）动量的转移，而自旋动量即使在破坏平动对称性的情况下也保持守恒；然而，光学力矩则源于轨道与自旋角动量的共同转移，解决了长期以来关于其作用角色的模糊性。

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.

研究动机与目标

• 解决长期存在的疑问：轨道角动量是否能对任意粒子产生光学力矩？
• 建立光学力/力矩与光学线动量和角动量不同分量之间普遍且严格的数学关系。
• 阐明在光-物质相互作用中自旋与轨道动量在动量转移中的作用。
• 证明即使在散射粒子破坏平动对称性的情况下，自旋动量仍保持守恒。
• 提供一种多极理论框架，将光学力矩分解为轨道与自旋角动量流的贡献。

提出的方法

• 利用单色场中的时间平均电磁场量，推导光学力矩的一般多极展开式。
• 应用自由空间中线动量与角动量的守恒定律，推导无限曲面上通量积分的边界条件。
• 将光学力矩分解为四种不同贡献：来自轨道与自旋角动量流的消光力矩与反冲力矩。
• 利用入射场与散射场的多极展开，将力矩分量表示为电与磁多极矩的形式。
• 通过复场导数与多极张量缩并，推导出力矩分量的显式表达式，包含∇(l)E与∇(l)H项。
• 通过通量定理与自由空间中角动量守恒验证分解的正确性，确保与基本对称性一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学力是否可完全归因于轨道动量的转移，还是自旋动量也有所贡献？
• RQ2 为何即使在粒子破坏了光学场中平动对称性的情况下，自旋动量仍保持守恒？
• RQ3 轨道角动量是否对一般粒子的光学力矩有贡献，还是力矩仅由自旋角动量引起？
• RQ4 如何将光学力矩分解为轨道与自旋角动量流的贡献？
• RQ5 光学力/力矩与光的规范、自旋、轨道及总角动量之间存在何种普遍关系？

主要发现

• 光学力仅源于轨道（规范）动量的转移，而非自旋动量；即使在破坏平动对称性的情况下，自旋动量仍保持守恒。
• 尽管自旋动量参与角动量转移，但其本身并不产生对物质的光学力。
• 光学力矩源于轨道与自旋角动量的共同转移，证实轨道角动量可对任意粒子产生旋转力矩。
• 光学力矩分解为来自轨道与自旋角动量流的消光与反冲分量，在任何单色场与粒子中均普遍成立。
• 通过多极展开推导出力矩分量的显式表达式，其贡献来自电与磁多极矩及其导数。
• 该形式理论证实，在自由空间中光学力的自旋-轨道耦合效应不存在，但会因散射而出现，且力矩源于总角动量的转移。