[论文解读] Reactive helicity and reactive power in nanoscale optics: Evanescent waves. Kerker conditions. Optical theorems and reactive dichroism

M. Nieto‐Vesperinas, Xiaohao Xu|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 47被引用 6

一句话总结

本文提出了复螺旋定理与反应性螺旋度，建立了纳米光学中反应性功率的新守恒律。研究表明，与非传播、倏逝场相关的反应性螺旋度与反应性功率，支配磁介质纳米颗粒的散射行为，揭示了新型光学力及一种称为‘反应性二色性’的现象，可实现对映体的分离。

ABSTRACT

We put forward the complex helicity theorem. It constitutes a novel law that rules the build-up of the reactive helicity through its zero time-average flow. Its imaginary Poynting momentum accounts for the accretion of reactive power, are illustrated in: evanescent waves and fields scattered from magnetodielectric dipolar nanoparticles. As for the former, we show that its reactive helicity may be experimentally observed as we introduce a reactive spin momentum and a reactive orbital momentum in terms of which we express the imaginary field momentum, whose transversal component produces an optical force on a magnetoelectric particle that, as we illustrate, may surpass and can be discriminated from, the known force due to the so-called extraordinary momentum. We also uncover a non-conservative force on such a magnetoelectric particle, acting in the decay direction of the evanescent wave, and that may also be discriminated from the standard gradient force; thus making the reactive power of the wavefield also observable. Concerning the light scattered by magnetoelectric nanoparticles, we establish two optical theorems that govern the accretion of reactive helicity and reactive power on extinction of incident wave helicity and energy. Like a nule total -- internal plus external -- reactive power is at the root of a resonant scattered power, we show that a zero total reactive helicity underlies a resonant scattered helicity. The first Kerker condition, under which the particle becomes dual on illumination with circularly polarized light, we demonstrate to amount to a nule overall scattered reactive helicity. and emission. We discover a discriminatory property of the reactive helicity of chiral light incident on a chiral nanoparticle by excitation of the external reactive power. This for optical near-field enantiomeric separation, we call reactive dichroism.

研究动机与目标

• 建立时 harmonic 光学场中反应性螺旋度与反应性功率的理论框架。
• 探讨反应性物理量在倏逝波及磁介质纳米颗粒散射中的作用。
• 将 Kerker 条件与总反应性功率及反应性螺旋度的最小化相联系。
• 展示由反应性动量引起的新型光学力，其可超越已知的异常动量力。
• 提出‘反应性二色性’作为利用反应性功率对对映体纳米颗粒进行区分的机制。

提出的方法

• 推导复螺旋度密度及其流，提出守恒律——复螺旋定理。
• 从场动量的虚部引入反应性自旋与轨道动量分量。
• 分析界面处的倏逝波，利用时 harmonic 场解计算反应性功率与动量。
• 将该形式化方法应用于偶极子磁介质纳米颗粒，计算散射的反应性功率与螺旋度。
• 推导两个光学定理，描述入射螺旋度与能量被消光时反应性螺旋度与反应性功率的累积。
• 利用偶极场的精确解（附录 D）与体积分（附录 E）验证反应性能量表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时 harmonic 光学场中，反应性螺旋度如何定义并实现守恒？其物理意义为何？
• RQ2 在倏逝波中，由反应性动量产生的光学力是什么？其与标准梯度力及异常动量力有何不同？
• RQ3 Kerker 条件如何与散射场中总反应性功率及反应性螺旋度的最小化相关联？
• RQ4 反应性螺旋度能否作为对对映体纳米颗粒的判别指标？‘反应性二色性’的机制是什么？
• RQ5 在共振散射中，内部与外部反应性功率各自起什么作用？其相互抵消如何导致共振时总反应性功率为零？

主要发现

• 复螺旋度流的虚部定义了一个新的守恒量——反应性螺旋度，其零时间平均流控制非辐射场中的能量存储。
• 识别出反应性自旋动量与反应性轨道动量，其横向分量在磁电粒子上产生一种光学力，其大小超过已知的异常动量力。
• 在倏逝波衰减方向上，对磁电粒子施加一种非保守、方向依赖的力，其与梯度力不同，且可实验观测。
• 第一个 Kerker 条件对应于总散射反应性螺旋度为零，直接关联于无后向散射与方向性。
• 证实了反应性二色性：手性光入射至手性纳米颗粒时，左右圆偏振态激发的外部反应性功率不同，从而实现近场对映体分离。
• 在共振时，由于内部与外部贡献的相互抵消，总反应性功率与反应性螺旋度归零，类似于射频天线 Q 因子的最小化。