[论文解读] On the existence of pure, broadband toroidal sources in electrodynamics

Adrià Canós Valero, Dmitrii Borovkov+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2022

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 11

一句话总结

本文通过推导电流分布仅产生张量多极子的普遍条件，证明了电磁学中纯宽带环形源的存在。作者实验展示了具有纯宽带环形偶极子响应的结构，其不包含电偶极子或其他传统多极子贡献，并提出一种基于相消干涉的新型‘环形偶极子’源，证实了环形矩的物理现实性。

ABSTRACT

Multipoles are paramount for describing electromagnetic fields in many areas of nanoscale optics, playing an essential role for the design of devices in plasmonics and all-dielectric nanophotonics. Challenging the traditional division into electric and magnetic moments, toroidal moments have been proposed as a physically distinct family of multipoles with significant contributions to the properties of matter. However, the apparent impossibility of separately measuring their response sheds doubt on their true physical significance. Here, we confirm the possibility of selectively exciting toroidal moments without any other multipole. We develop a set of general conditions that any current distribution must fulfill to be entirely described by toroidal moments, and prove our results in an analytically solvable case. Our new theory allows us to design and verify experimentally for the first time an artificial structure supporting a pure, broadband toroidal dipole response in the complete absence of the electric dipole and other 'ordinary' multipole contributions. In addition, we propose a structure capable of supporting a novel type of nonradiating source, a 'toroidal anapole', originating from the destructive interference of the toroidal dipole with the unconventional electromagnetic sources known as mean square radii. The results in this work provide conclusive evidence on the independent excitation of toroidal moments in electrodynamics.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于电磁学中环形矩物理现实性的疑虑。
• 建立电流分布仅产生环形多极子的普遍数学条件。
• 设计并实验验证一种具有纯宽带环形偶极子响应的结构。
• 提出并分析一种基于相消干涉的新非辐射源——‘环形偶极子’。
• 确认环形矩可独立激发，解决经典电磁学中的一个关键争议。

提出的方法

• 推导电流密度分布的一般约束条件，以确保仅产生环形多极子贡献。
• 在对称几何中使用解析解验证理论条件。
• 设计亚波长人工结构，通过定制电流分布抑制电偶极子及其他传统多极子。
• 通过数值模拟确认在宽频带内环形偶极子响应占主导地位。
• 引入‘均方半径’作为非传统源，以实现与环形偶极子的相消干涉。
• 在制备的纳米结构中进行实验验证，确认其纯环形偶极子响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种电流分布，使其仅产生环形多极子辐射，而不含电偶极子或磁多极子贡献？
• RQ2 使源完全为环形的电流密度所需满足的必要且充分条件是什么？
• RQ3 是否可能在实际工程结构中实现宽带纯环形偶极子响应？
• RQ4 能否通过环形偶极子与一种新型源（均方半径定义的源）之间的相消干涉，实现非辐射源？
• RQ5 实验观测是否证实了在可实现器件中环形矩可独立激发？

主要发现

• 作者推导出电流分布必须满足的一般数学条件，以仅产生环形多极子，证实了其理论可行性。
• 设计并实验验证了一种子波长人工结构，其支持纯宽带环形偶极子响应，电偶极子及其他传统多极子贡献可忽略。
• 实验结果表明，在宽频带范围内环形偶极子响应占主导，证实了其他多极子的显著干扰可忽略。
• 本研究提出一种新型非辐射源——‘环形偶极子’，其通过环形偶极子与均方半径定义的源之间的相消干涉形成。
• 理论与实验结果为电磁学中环形矩的独立物理存在提供了决定性证据。