[论文解读] Spin and momentum of light fields in dispersive inhomogeneous media with application to the surface plasmon-polariton wave

A. Ya. Bekshaev, Konstantin Y. Bliokh|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2017

Orbital Angular Momentum in Optics被引用 5

一句话总结

本文提出了一套改进的理论框架，用于统一描述色散非均匀介质中的动量与角动量，将其应用于表面等离激元极化激元（SPPs）。研究揭示了在金属-电介质界面处存在一个高度局域化的奇异动量贡献，该结论通过微观分析得到证实，并解释了SPPs中诸如横向自旋和磁化动量等异常性质。

ABSTRACT

Following to the recently published approach [Phys. Rev. Lett. 119, 073901 (2017); New J. Phys., 123014 (2017)], we refine and accomplish the general scheme for the unified description of the momentum and angular momentum in complex media. The equations for the canonical (orbital) and spin linear momenta, orbital and spin angular momenta in a lossless inhomogeneous dispersive medium are presented in the compact form analogous to the Brillouin's relation for the energy. The results are applied to the surface plasmon-polariton (SPP) field, and the microscopic calculations support the phenomenological expectations. The refined general scheme correctly describes the unusual SPP properties (transverse spin, magnetization momentum) and additionally predicts the singular momentum contribution sharply localized at the metal-dielectric interface, which is confirmed by the microscopic analysis. The results can be useful in optical systems employing the structured light, especially for microoptics, plasmophotonics, optical sorting and micromanipulation.

研究动机与目标

• 建立无损非均匀色散介质中规范动量与自旋动量、轨道角动量与自旋角动量的统一理论描述。
• 解决在复杂光学介质中，特别是界面处，动量与角动量描述中的不一致性问题。
• 通过微观方法验证对表面等离激元极化激元（SPP）场的表观预期。
• 识别并表征SPPs中局域于金属-电介质界面的新型动量贡献。
• 为结构光、微光学及光学分选技术提供理论基础。

提出的方法

• 将近期提出的形式化方法（Phys. Rev. Lett. 119, 073901；New J. Phys. 123014）进行适配，以扩展对色散介质中动量与角动量的描述。
• 推导出规范动量与自旋线性动量，以及轨道角动量与自旋角动量的紧凑方程，其形式类似于布里渊的能量关系。
• 将改进的形式化方法应用于表面等离激元极化激元（SPP）场作为测试案例。
• 通过微观计算验证统一框架的表观预测。
• 通过解析与微观分析，识别出精确局域于金属-电介质界面的奇异动量贡献。
• 利用该形式化方法解释SPPs中非传统性质，如横向自旋与磁化动量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在非均匀色散介质中一致地描述光的规范动量与自旋动量？
• RQ2 在SPPs中，局域于金属-电介质界面的奇异动量贡献的起源与本质是什么？
• RQ3 统一的动量与角动量形式化方法如何解释SPPs中观测到的横向自旋与磁化动量？
• RQ4 微观计算在多大程度上支持统一框架的表观预测？
• RQ5 这种改进的描述对使用结构光的光学系统有何影响？

主要发现

• 改进的理论框架成功以紧凑、统一的形式描述了无损非均匀色散介质中的规范动量与自旋动量，以及轨道角动量与自旋角动量。
• 该模型预测了在表面等离激元极化激元（SPP）场中，存在一个高度局域于金属-电介质界面的奇异动量贡献。
• 微观计算证实了该奇异动量贡献在界面处的存在与局域性。
• 该形式化方法正确解释了SPPs中异常性质，如横向自旋与磁化动量。
• 结果为SPPs中的动量与角动量结构提供了连贯解释，解决了先前的模糊性问题。
• 该框架适用于涉及结构光的光学系统，尤其在微光学、等离激元光子学与光学微操纵技术中具有应用潜力。