[论文解读] Photon Torpedoes and Rytov Pinwheels: Integral-Equation Modeling of Non-Equilibrium Fluctuation-Induced Forces and Torques on Nanoparticles

M. T. Homer Reid, Owen D. Miller+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 15被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种基于涨落电磁理论的新型积分方程框架，用于模拟具有任意形状和复杂材料特性的纳米颗粒在非平衡态下的涨落诱导力和力矩。通过开发一种新的解析抵消技术以处理此前未被解决的奇异性，该方法实现了对微米尺度粒子热自推进、自旋转及动量传递的精确、高效且前所未有的模拟，揭示了终端速度在微米/秒量级和弧度/秒量级，且表现出强烈的尺寸和温度依赖性力矩响应。

ABSTRACT

We present new theoretical tools, based on fluctuational electrodynamics and the integral-equation approach to computational electromagnetism, for numerical modeling of forces and torques on bodies of complex shapes and materials due to emission of thermal radiation out of thermal equilibrium. This extends our recently-developed fluctuating-surface-current (FSC) and fluctuating-volume-current (FVC) techniques for radiative heat transfer to the computation of non-equilibrium fluctuation-induced forces and torques; as we show, the extension is non-trivial due to the greater computational cost of modeling radiative momentum transfer, including new singularities that must be carefully neutralized. We introduce a new analytical cancellation technique that addresses these challenges and allows, for the first time, accurate and efficient prediction of non-equilibrium forces and torques on bodies of essentially arbitrary shapes---including asymmetric and chiral particles---and complex material properties, including continuously-varying and anisotropic dielectrics. We validate our approach by showing that it reproduces known results, then present new numerical predictions of non-equilibrium self-propulsion, self-rotation, and momentum-transfer phenomena in complex geometries that would be difficult or impossible to study with existing methods. Our findings indicate that the fluctuation-induced dynamics of micron-size room-temperature bodies in cold environments involve microscopic length scales but macroscopic time scales, with typical linear and angular velocities on the order of microns/second and radians/second; For a micron-scale gear driven by thermal radiation from a nearby chiral emitter, we find a strong and non-monotonic dependence of the magnitude and even the extit{sign} of the induced torque on the temperature of the emitter.

研究动机与目标

• 开发一种通用计算框架，用于模拟具有任意几何形状和复杂材料特性的物体在非平衡态下的涨落诱导力和力矩。
• 解决在动量传递中出现的新奇异性所引发的重大计算挑战，这些奇异性在能量传递问题中并不存在。
• 将先前仅用于辐射传热的涨落表面电流（FSC）和涨动体积电流（FVC）方法扩展至包含动量和力矩传递。
• 实现对复杂、非对称及手性纳米结构中热自推进（TSP）、自旋转（TSR）以及非平衡卡西米尔力/力矩的精确预测。
• 为研究人员提供开源、免费的软件工具，以在真实几何结构中模拟和探索这些现象。

提出的方法

• 该方法采用基于涨落电磁理论的积分方程形式，将热辐射建模为涨落的表面和体积电流。
• 提出一种新的解析抵消技术，以消除动量传递核中此前未被考虑的奇异性，从而实现稳定且精确的数值解。
• 该方法利用边界积分方程和体积积分方程，计算由非平衡态热涨落引起的电磁场和力。
• 通过采用自适应求积和高阶离散化方法的边界元法实现该形式化框架，以处理复杂几何结构和各向异性、连续变化的介电函数。
• 该框架支持标量和矢量格林函数，并引入极化电流以通过辐射发射建模动量传递。
• 通过重现已知的非平衡卡西米尔相互作用结果对方法进行验证，并将其扩展至预测非对称和手性粒子中的新现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对具有复杂、各向异性或连续变化介电性质的任意形状纳米颗粒在非平衡态下的涨落诱导力和力矩进行精确建模？
• RQ2 将现有涨落电流方法从能量传递扩展到动量传递时面临哪些计算挑战，如何克服？
• RQ3 在冷环境中，经历热自推进和自旋转的微米尺度粒子的终端线速度和角速度是多少？
• RQ4 微齿轮所受的力矩大小和符号如何依赖于附近手性Rytov旋翼发射器的温度和材料特性？
• RQ5 该形式化方法能否预测反直觉行为，例如在确定性设定下，圆极化平面波被吸收的角动量符号与波的偏振方向相反？

主要发现

• 在室温下、冷真空环境中的微米尺度非对称粒子在数秒时间尺度内加速至终端线速度量级为微米/秒，角速度量级为弧度/秒。
• 对于固定粒子形状，存在一个使线加速度或角加速度最大的最优尺寸，表明辐射效率与惯性之间存在权衡。
• 温暖的手性Rytov旋翼会在附近微齿轮上产生力矩，其大小甚至符号强烈且非单调地依赖于旋翼的温度，表明其在纳米尺度温度测量中的应用潜力。
• 该方法成功重现了已知的非平衡卡西米尔相互作用结果，验证了其精度和数值稳定性。
• 对受圆极化平面波照射的微齿轮的模拟揭示了一个频率窗口（1.5ω₀ < ω < 2ω₀），在此窗口内齿轮吸收的角动量符号与波的偏振方向相反，这一反直觉效应仅能通过全场数值建模解析。
• 该框架首次实现了对复杂、非对称及手性纳米结构中动量传递和自旋转的精确预测，这些结构在解析或近似方法下难以处理。