[论文解读] Breaking of Energy Conservation Law: Creating and Destroying of Energy by Subwavelength Nanosystems

S. V. Kukhlevsky|ArXiv.org|Oct 2, 2006

Photonic and Optical Devices被引用 7

一句话总结

该论文提出，在亚波长纳米系统中，由于相干波的干涉，能量守恒可能被破坏，其中相长干涉产生额外能量，而相消干涉则使其湮灭。通过亚波长狭缝阵列的解析与数值模型，研究展示了高达5倍的透射增强以及在特定相位条件下能量的产生或湮灭，挑战了此类系统中能量守恒的普遍性。

ABSTRACT

The extra energy, negative energy and annihilation of energy by the subwavelength conservative systems that have a wave nature of light or matter (quantum) objects are predicted. The creating and destroying of energy break the energy conservation law in any subwavelength physical system. The paradoxical phenomenon is demonstrated in the context of extraordinary transmission of light and matter through subwavelength apertures [T.W. Ebbesen et al., Nature (London) 391, 667 (1998) and E. Moreno et al., Phys. Rev. Lett. 95, 170406 (2005)].

研究动机与目标

• 研究由于波的干涉效应，能量守恒是否可能在亚波长物理系统中被破坏。
• 分析光通过薄金属屏上亚波长孔径的异常透射，作为表观能量产生或湮灭的机制。
• 对多个亚波长狭缝产生的相干波束进行建模，并量化与标准能量守恒的偏离。
• 证明远场区域中相位相干的波叠加可导致净能量的产生或湮灭，且与材料或波的类型无关。
• 建立一个将亚波长干涉与经典能量守恒定律违反相联系的理论框架。

提出的方法

• 使用Neerhoff和Mur方法对薄的理想导电屏上M个独立的亚波长狭缝阵列进行建模，以严格求解麦克斯韦方程组。
• 计算远场衍射图样及在z ≈ 1 mm处的总辐射功率P(λ)，以确定每狭缝的透射系数T_M(λ) = P(λ)/(M·P₁)。
• 对窄缝（2a ≪ λ，b ≥ 0）使用解析近似，推导出衍射场和功率量化的简化表达式。
• 将杨氏双源干涉模型应用于亚波长源（Λ < λ），表明相干叠加导致干涉项改变总能量。
• 推导能量积分W = ∫∫(I₁ + I₂ + 2√(I₁I₂)cos(Δφ))dxdy，以量化由干涉交叉项引起的额外或负能量。
• 比较Λ ≪ λ（亚波长）与Λ ≫ λ（常规光栅）的情况，表明仅当源间距超过波长时，能量守恒才成立。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚波长系统中，相干波的干涉是否可导致净能量的产生或湮灭，从而违反经典能量守恒定律？
• RQ2 相位和源间距（Λ）的何种条件会导致亚波长狭缝阵列中能量的增强或湮灭？
• RQ3 在亚波长区域中，透射系数T_M(λ)随狭缝数M的标度关系与常规区域相比如何？
• RQ4 为何亚波长狭缝阵列中会出现伍德异常和Fano型共振？它们与干涉驱动的能量不守恒有何关联？
• RQ5 在亚波长系统中，光或物质的波的特性在多大程度上可通过相长或相消干涉实现能量的产生或湮灭？

主要发现

• 当M = 300个狭缝时，在λ ≈ 1800 nm处实现高达T_M^max ≈ 5的透射增强，共振波长为λ_n ≈ Λ/n。
• 透射系数T_M(λ)表现出法布里-珀罗型共振和Fano型线型，表明存在由干涉驱动的光谱调制。
• 当源间距为亚波长（Λ ≪ λ）时，远场总能量W可达到4W₀（当波的相位差φ₁ - φ₂ = 0时），表明能量被创造。
• 当波发生相消干涉（φ₁ - φ₂ = π）时，总能量W降至零，表明能量被完全湮灭。
• 能量标度从Λ ≪ λ时的T_M ≈ M（线性）转变为Λ ≫ λ时的T_M ≈ 1（恒定），表明仅在后者情况下能量守恒成立。
• 该模型预测，能量的产生或湮灭与波的类型（光或物质）、孔径几何形状（一维或二维）或材料无关，仅取决于相位相干性和亚波长间距。