On the origin and properties of dipolar recoil force and torque
King's College London（伦敦国王学院）
本文通过从头原理推导，揭示了偶极子反冲力和力矩的起源，源于光速有限导致的相互作用效应。
2025-12-01 physics.optics
Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles
通过将角动量从光转移到材料，吸收微观粒子的光致旋转提高了光学驱动微机械的可能性。利用椭圆偏振激光束或具有螺旋相位结构的光束观察到了这种现象。但是，由于过热和不必要的轴向力，在这样的实验中很难开发高功率，将可实现的旋转速率限制在几赫兹。这个问题原则上可以通过使用透明粒子来克服，通过Beth在1936年首次观察到的机制来转移角动量，当时他报告了由于透射光的偏振变化而在石英波片中产生的微小扭矩。在这里，我们表明，光扭矩可以诱导微观双折射方解石颗粒举行的光镊。根据入射光束的偏振，粒子要么与偏振平面对齐（因此可以旋转指定的角度），要么以恒定的旋转频率旋转。由于这些微观粒子是透明的，它们可以在非常高的功率下保持在三维光阱中而无需加热。我们已经观察到超过350赫兹的旋转速率。
2003-08-29 physics.optics
Transient birefringence of liquids induced by terahertz electric-field torque on permanent molecular dipoles
从微观上理解液体中的低频分子运动一直是软物质科学的一个长期目标。到目前为止，这种低频运动大多是通过非共振光脉冲间接获得的。一种更直接的方法是用太赫兹（THz）辐射询问液体的动态结构。在这里，我们提供的证据表明，强烈的太赫兹脉冲的共振激发是能够驱动重定向的非质子极性液体通过耦合到永久分子的偶极矩的librational模式。我们观察到这种增强的耦合的一个标志：瞬态光学双折射高达一个数量级高于获得光激发。我们的研究结果开辟了道路，如有效的分子排列和系统的研究，在液体中的旋转运动的耦合到其他集体运动的应用。
2016-10-13 cond-mat.soft physics.optics
Mechanical separation of chiral dipoles by chiral light
本文计算了手征光场作用于手征偶极子的光学力和力矩，揭示了手征力是由手征光场和手征偶极子物质的手征内容结合而成的。本文通过定义光学手征密度和手征流来表征光学手征。我们特别表明，这两个条款分别与手征力的反应和耗散组件的机械效果。值得注意的是，这些手征力分量与标准观测值直接相关：反应性分量的旋光度和耗散性分量的圆二色性。因此，所产生的力和扭矩取决于手性偶极子的对映体形式。这表明有希望的策略，使用手性光力机械分离手性对象根据其对映体形式。
2015-02-03 physics.optics
Giant Enhancement of Vacuum Friction in Spinning YIG Nanospheres
针对真空摩擦效应过弱、难以观测的问题，本文利用YIG近场磁局域态密度使旋转纳米球的真空辐射增强八个数量级，并给出可实验观测的装置方案。
2024-01-17 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Dipole light-matter interactions in the bispinor formalism
King’s College London（伦敦国王学院）；Donostia International Physics Center (DIPC)（多诺斯蒂亚国际物理中心）
本文通过双旋量形式化统一了偶极子粒子的功率吸收、光学力和扭矩，揭示了力、扭矩、吸收功率和吸收螺旋率可由对称性破缺表达，推导出偶极子截面必须满足的不等式。
2026-05-13 physics.optics
Optical forces, torques and force densities calculated at a microscopic level using a self-consistent hydrodynamics method
在纳米尺度下，材料内的光学力密度分布的计算是具有挑战性的，其中出现量子和非局部效应，并且宏观参数（例如介电常数）变得不明确。我们证明了纳米等离子体激元系统的微观光学力密度可以使用自洽的流体力学模型来定义和计算，该模型包括量子，非局部和延迟效应。我们证明了这种技术，通过计算微观光学力密度分布和外部光诱导的纳米等离子体二聚体的光学结合力。我们发现，一个不均匀的分布的光学力密度可以导致一个自旋扭矩作用在单个粒子。
2017-07-19 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Universal relationships between optical force/torque and orbital versus spin momentum/angular momentum of light
我们建立了一般粒子上的光学力/力矩与一般单色光场的线动量和角动量（AM）的不同部分之间的普遍关系。严格地证明了，光学力是由轨道（正则）光学动量从光到物质的转移产生的，而另一部分光学动量，称为自旋动量，不会对物质产生光学力，而是保持守恒，即使当平移不变性被打破时，将粒子放入光场。另一方面，基于一般的多极光学力矩理论，我们证明了光学力矩源于总的光学AM的转移，包括轨道和自旋AM，澄清了在一般情况下，长期存在的困惑，即轨道AM是否可以在一般的光场中诱导一般粒子的自旋力矩。
2017-12-29 physics.class-ph physics.optics
Acoustic Radiation Force and Torque on Small Particles as Measures of the Canonical Momentum and Spin Densities
我们研究声辐射力和扭矩上的一个小（亚波长）吸收各向同性粒子沉浸在一个单色（但一般不均匀）的声波场。我们表明，通过引入的粒子的双极和偶极极化率，这个问题可以被处理的方式类似于研究的光学力和力矩偶极瑞利粒子。我们推导出简单的声学力（包括梯度和散射力）和扭矩的解析表达式。重要的是，这些表达式揭示了密切的关系，最近介绍的声场的基本场性质：正则动量和自旋角动量密度。我们比较我们的分析结果与以前的计算和精确的数值模拟。我们还考虑了一个重要的例子中的粒子在倏逝声波，这表现出相互正交的散射（辐射压力）力，梯度力，和扭矩从横向自旋的字段。
2019-09-26 physics.class-ph physics.optics
Direct Evidence of Torque-mediated Optical Magnetism
我们报告的实验证据的机制，支持和加强诱导磁化在光学频率没有干预的自旋-轨道或自旋-自旋相互作用。在一系列非磁性分子液体中以中等强度（108 W/cm 2）和短时间尺度（<150 fs）记录的散射光的能量分辨光谱揭示了在分子水平上由光的电场和磁场分量联合驱动的扭矩动力学的特征。虽然过去的实验已经记录了这种类型的磁电相互作用的辐射磁化，但迄今为止还没有证据表明，由于洛伦兹力与光学磁矩的结合作用，交叉偏振光散射光谱中预期的非弹性振动特征。在这里，扭矩被证明占非弹性组件的磁散射谱的条件下，产生没有这样的功能，在电偶极子散射，在极好的协议与量子理论的预测
2019-05-02 physics.optics
Negative optical spin torque wrench of a nondiffracting non-paraxial fractional Bessel vortex beam
吸收瑞利介质球在无衍射非傍轴分数贝塞尔涡旋光束中受到自旋力矩的作用。在偶极近似下利用电场的辐射修正计算了轴向和横向辐射自旋力矩分量。特别强调的是，以及改变拓扑电荷和光束的半锥角的偏振。当光束阶数为零时，轴向自旋力矩分量消失。然而，当光束阶数变成一个实数正数时，涡旋光束会产生左手（负）轴向自旋力矩，因为球体从光束中心偏离轴向移动。结果表明，无衍射非傍轴分数贝塞尔涡旋光束能够诱导任意放置的瑞利吸收球发生自旋反转，在粒子操纵、光镊旋转、光学牵引光束、光学工程超材料设计等方面具有潜在的应用前景.
2016-05-30 physics.optics
Resolution of the Mansuripur Paradox
当用洛伦兹力的三矢量公式分析磁偶极子与点电荷的相互作用时，会导致一个明显的悖论。具体地说，偶极子在某些坐标系中受到扭矩，而在另一些坐标系中不受扭矩。我们表明，当分析根据协变4-向量制定的悖论消失。在某些框架中产生的力矩与静止框架中力矩的时空分量相联系，从而产生“隐藏”动量。
2012-05-30 physics.gen-ph physics.optics
Electric and Magnetic Dipoles in the Lorentz and Einstein-Laub Formulations of Classical Electrodynamics
经典电动力学理论不能解释电偶极子和磁偶极子的存在和结构，但它把这种偶极子纳入其基本方程，只是通过假设它们的存在和性质，就像它假设电荷和电流的存在和性质一样。麦克斯韦的宏观方程是数学上精确且自洽的微分方程，其将电磁（EM）场与其源（即，电荷密度$ρ_{free}$、电流密度$J_{free}$、极化P和磁化M）相关联。在麦克斯韦宏观方程的层次上，不需要电偶极子和磁偶极子的模型。例如，磁偶极是安氏电流环还是吉尔伯式南北磁单极对对麦克斯韦方程组的解没有影响。电磁场携带能量以及线动量和角动量，它们可以与物质介质交换-电磁场源的所在地-从而在这些介质上施加力和扭矩。在经典电动力学的洛伦兹公式中，电场和磁场E和B对电荷和电流分布施加力和力矩。电偶极子被建模为一对电荷在一根棍子（或弹簧），和磁偶极子被建模为一个安培电流回路，使洛伦兹力定律可以应用到相应的（绑定）电荷和（绑定）这些偶极子的电流。相比之下，爱因斯坦-劳布公式通过简单地提供计算电场和磁场对电荷、电流、极化和磁化施加的力密度和扭矩密度的方法，规避了对偶极子的特定模型的需要。
2015-03-07 physics.class-ph physics.optics
Control and measurement of electric dipole moments in levitated optomechanics
悬浮光学机械系统正迅速成为精密传感的主要工具，能够对传感器的质心运动、旋转和电荷状态进行高水平的控制。然而，电荷分布中的高阶多极矩仍然是背景的主要来源。通过对真空中悬浮微球的偶极矩施加受控旋进力矩，我们证明了偶极诱导背景的2个数量级的抵消。我们测量的偶极矩的NG-质量球，并确定其缩放与球体大小，发现主导扭矩产生的介电损耗性能的SiO $_2$球相关的诱导偶极矩。控制悬浮传感器电荷分布中的多极矩是在未来应用中充分减少背景源的关键要求。
2021-10-27 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Radiation of Optical Angular Momentum from a Dipole Source in a Magneto-birefringent disordered Environment
本文研究了均匀磁场下偶极子气体的光学角动量辐射，指出角动量守恒会对源和周围环境产生力矩，并分析了辐射角动量的自旋和轨道贡献。
2023-06-29 astro-ph.SR physics.optics
Comment on "Trouble with the Lorentz Law of Force: Incompatibility with Special Relativity and Momentum Conservation"
在最近的一封信[arXiv：1205.0096]中，Mansuripur认为磁偶极子位于点电荷的固定位置。对电荷分布移动的实验室坐标系进行洛伦兹变换，他发现"一个净力矩作用在偶极子对上"。然后，他认为，"在（静止）坐标系中没有相应力矩的情况下，（实验室）坐标系中的这个力矩足以证明洛伦兹（力）定律的不足"。在这篇评论中，我们证明了力矩的存在与狭义相对论并不矛盾：它是适用于系统（包括粒子）总动量的守恒定律所要求的。我们进一步强调，经典电动力学需要一个一致的动力学描述的粒子，涉及耦合方程的电磁场和轨迹[M。Brachet和E. Tirapegui，Nuovo Cimento Soc. Ital.菲斯A 47，210（1978）]，任何守恒量都包含场和粒子的贡献。
2012-07-19 physics.gen-ph physics.optics
Electrically Driven, Optically Levitated Microscopic Rotors
我们报告的电驱动旋转的$2.4~μ$ m半径，光悬浮电介质微球。电场用于将扭矩施加到微球的永久电偶极矩，而角位移通过检测透射通过微球（MS）的光的偏振状态的变化来测量。这种技术能够实现比以前用纯光学装置实现的更大的控制，因为电扭矩的方向和大小可以任意设置。我们测量从旋转电场中释放的微球的自旋下降，偶极子相对于场的瞬时方向的谐波运动，以及驱动电场和MS的偶极矩之间的相位滞后，由于残留气体的阻力。我们还观察到陀螺进动的MS时，旋转轴的驱动场和微球的角动量是正交的。这些观测结果与运动方程在数量上是一致的。由电驱动器提供的控制能够精确测量微球特性和扭矩，以及用于解决光学悬浮颗粒的角动量方向的方法。
2019-08-24 physics.class-ph physics.optics
Nature of Electric and Magnetic Dipoles Gleaned from the Poynting Theorem and the Lorentz Force Law of Classical Electrodynamics
本文从麦克斯韦宏观方程组的最一般形式出发，比较了坡印廷矢量的两种形式，即S=ExB/mu_0和S=ExH，其中自由电荷密度和自由电流密度rho_free和J_free以及极化密度和磁化强度密度P和M是空间和时间的任意函数。这里E是电场，H是磁场，B是磁感应强度，μ_0是自由空间的磁导率。我们认为，这些坡印廷矢量与电磁能的流动速率的一个或另一个的识别是密切相关的性质的磁偶极子和这些偶极子与电磁场交换能量的方式。此外，电偶极子和磁偶极子在与电磁场相互作用时的明显性质对洛伦兹力定律有影响。如果传统的识别磁偶极子与安培电流回路扩展到麦克斯韦的宏观方程的域中的能量，力，转矩，动量和角动量是积极的参与者，它将被证明，“隐藏的能量”和“隐藏的动量”成为不可避免的后果，这种识别与安培电流回路。然而，如果我们采用S=ExH作为真正的坡印廷矢量，并接受洛伦兹力定律的广义版本，隐藏的能量和隐藏的动量是可以避免的。我们的结论是，磁偶极子与安培电流回路的识别，而肯定可以接受的麦克斯韦宏观方程组的范围内，是不够的，并导致复杂化时，考虑能量，力，转矩，动量和角动量的电磁系统，涉及领域和物质的相互作用。
2012-08-04 physics.class-ph physics.optics
Off-axis dipole forces in optical tweezers by an optical analog of the {Magnus} effect
结果表明，圆偶极子可以偏转诱导它的聚焦激光束，并将受到相应的横向力。定量表达式推导高斯和角礼帽光束，而在平面波极限的影响消失。这种现象类似于马格努斯效应，将旋转的球推到弯曲的轨道上。光学的情况起源于偶极和光的自旋和轨道角动量的耦合。在光镊中，力使原子的捕获位置发生离轴位移，位移量取决于自旋，最大为$λ/2π$，由磁场的方向决定。这表明直接的方法来证明和探索这些效应，例如诱导自旋相关的运动。
2020-11-03 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
