ОПТИЧЕСКИЕ СИЛЫ ПРИТЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ «ДИМЕР НАНОЧАСТИЦ В СТРУКТУРИРОВАННОМ ПОЛЕ»

Предметом исследования работы являются оптические силы притяжения как одно из проявлений механического воздействия оптического излучения на материальные объекты. В частности, рассмотрены оптические силы, действующие на димер, составленный из наночастиц с малым по отношению к длине волны радиусом. Вычисление оптических сил (сил Лоренца) осуществлено на основе электромагнитных полей, полученных в результате решения самосогласованной системы полевых уравнений. Выведена аналитическая формула, показывающая зависимость оптической силы, действующей на димер, от параметров димерной системы и структурированной волны, составленной из двух скрещивающихся плоских волн. Впервые показано, что на димер из одинаковых дипольных частиц в структурированном оптическом поле может действовать сила притяжения к источнику, так называемое «отрицательное радиационное давление». Показано, что силы притяжения обусловлены увеличением импульса фотонов (вернее, проекции импульса фотонов на направление распространения структурированной волны) в результате рассеяния. Соответствующая диаграмма рассеяния димерной системы показала усиленное рассеяние вперед, что подтверждает указанный механизм возникновения сил притяжения. Результаты исследования будут полезны для расширения возможностей оптического манипулирования нано- и микрочастицами. 

1. Sukhov S., Dogariu A. Negative nonconservative forces: optical 'tractor beams' for arbitrary objects // Physi-cal Review Letters. 2011. V. 107. N 20. Art. 203602. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.203602
2. Джексон Дж. Классическая электродинамика. М: Мир, 1965. 703 c.
3. Нелепец А.В., Тарлыков В.А. Транспортировка и деформация диэлектрических частиц градиентными силами светового давления // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2008. № 58. С. 59–65.
4. Шалин А.С., Сухов С.В. Оптические силы в плазмонных наноантеннах // Квантовая электроника. 2012. Т. 42. № 4. С. 355–360.
5. Shalin A.S., Sukhov S.V. Plasmonic nanostructures as accelerators for nanoparticles: optical nanocannon // Plasmonics. 2013. V. 8. N 2. P. 625–629. doi: 10.1007/s11468-012-9447-0
6. Dogariu A., Sukhov S., Saenz J. Optically induced 'negative forces' // Nature Photonics. 2013. V. 7. N 1. P. 24–27. doi: 10.1038/nphoton.2012.315
7. Chen J., Ng J., Lin Z., Chan C.T. Optical pulling force // Nature Photonics. 2011. V. 5. N 9. P. 531–534. doi: 10.1038/nphoton.2011.153
8. Novitsky A., Qiu C.-W., Wang H. Single gradientless light beam drags particles as tractor beams // Physical Review Letters. 2011. V. 107. N 20. Art. 203601. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.203601
9. Novitsky A., Qiu C.-W., Lavrinenko A. Material-independent and size-independent tractor beams for dipole objects // Physical Review Letters. 2012. V. 109. N 2. Art. 023902. doi: 10.1103/PhysRevLett.109.023902
10. Brzobohatý O., Karásek V., Šiler M., Chvátal L., Čižmár T., Zemánek P. Experimental demonstration of optical transport, sorting and self-arrangement using a 'tractor beam' // Nature Photonics. 2013. V. 7. N 2. P. 123–127. doi: 10.1038/nphoton.2012.332
11. Depasse F., Vigoureux J.-M. Optical binding force between two Rayleigh particles // Journal of Physics D: Applied Physics. 1994. V. 27. N 5. P. 914–919. doi: 10.1088/0022-3727/27/5/006
12. Gadomsky O.N., Sukhov S.V., Voronov Yu.Yu. Near-field effect in two-atom system // European Physical Journal D. 2000. V. 11. N 2. P. 185–190.
13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Мир, 1974. 719 с.
14. Tervo J., Vahimaa P., Turunen J. On propagation-invariant and self-imaging intensity distributions of elec-tromagnetic fields // Journal of Modern Optics. 2002. V. 49. N 9. P. 1537–1543. doi: 10.1080/09500340110107504
15. Ashkin A., Gordon J.P. Stability of radiation-pressure particle traps: an optical Earnshaw theorem // Optics Letters. 1983. V. 8. N 10. P. 511–513.
16. Chaumet P.C., Nieto-Vesperinas M. Time-averaged total force on a dipolar sphere in an electromagnetic field // Optics Letters. 2000. V. 25. N 15. P. 1065–1067.
17. Dogariu A., Sukhov S. On the concept of 'tractor beams' // Optics Letters. 2010. V. 35. N 22. P. 3847–3849. doi: 10.1364/OL.35.003847
18. Tsai C.-Y., Lin J.-W., Wu C.-Y., Lin P.-T., Lu T.-W., Lee P.-T. Plasmonic coupling in gold nanoring dimers: observation of coupled bonding mode // Nano Letters. 2012. V. 12. N 3. P. 1648−1654. doi: 10.1021/nl300012m
19. Mertens J., Eiden A.L., Sigle D.O., Huang F., Lombardo A., Sun Z., Sundaram R.S., Colli A., Tserkezis C., Aizpurua J., Milana S., Ferrari A.C., Baumberg J.J. Controlling subnanometer gaps in plasmonic dimers using graphene // Nano Letters. 2013. V. 13. N 11. P. 5033−5038. doi: 10.1021/nl4018463
20. Theiss J., Aykol M., Pavaskar P., Cronin S.B. Plasmonic mode mixing in nanoparticle dimers with nm-separations via substrate-mediated coupling // Nano Research. 2014. V. 7. N 9. P. 1344–1354. doi: 10.1007/s12274-014-0499-7

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License