Energy and linear and angular momenta in simple electromagnetic systems
我们提出了简单的电磁系统中的能量,线动量和角动量表现出有趣的行为的例子。该系统足够简单,可以精确求解麦克斯韦方程组,并结合力、转矩、能量和动量的电动力学定律。在所有的情况下检查,能量守恒和动量的确认。
2015-09-01 physics.class-ph physics.optics
A unified theory correcting Einstein-Laub electrodynamics solves dilemmas in the photon momenta and electromagnetic stress tensors
为了统一和澄清持续争论的电磁应力张量(ST)和光子动量,我们建立了一个理论的灵感来自Einstein-Laub形式主义内的任意宏观物体沉浸在任何复杂的介质。我们的广义Einstein-Laub力和ST产生任何一般宏观物体由于内部场与其原子,电荷和分子相互作用而经历的总力。适当的情况下,建立了一个新提出的动量,我们称之为非机械广义爱因斯坦-劳布动量,以及光子的动力学和正则动量的守恒。我们的理论仍然有效,即使在一个一般的异质或有界的嵌入背景介质,而不诉诸隐藏的动量,并明确地确定存在域,或有效域,ST和光子动量提出的日期。这个存在域是在宏观散射体外部只有外场的区域,或者是在其内部只有内场的区域。对这种存在域的恰当识别构成了我们统一理论的基础。最后,提出了一个思想实验,它表明,适当的力和光子的动量在嵌入介质中也可以适当地识别,如果背景是相对大于嵌入散射体。它还解释了亚伯拉罕和闵可夫斯基光子动量在嵌入介质中完全不同的作用。最重要的是,我们的统一理论表明,一个独特的制定的动量守恒定律是不可行的,虽然广义的ST和动量密度的表达是可以实现的新概念,我们介绍,即有效极化和有效磁化。
2015-09-23 physics.optics
On orbital angular momentum conservation in Brillouin light scattering within a ferromagnetic sphere
由铁磁球支持的静磁模式被称为Walker模式,每个模式都具有沿着静态磁场的轨道角动量以及自旋角动量。具有非零轨道角动量的Walker模表现出拓扑非平凡的自旋织构,我们称之为\textit{magnetic quasi-vortices}。由介质球支持的光学回音壁模式中的光子具有形成\textit{optical vortices}的轨道和自旋角动量。在铁磁和电介质球体内,两种形式的涡旋在布里渊光散射过程中相互作用。我们认为,在散射有一个选择规则,规定的涡旋之间的轨道角动量的交换。选择规则被证明是负责实验观察到的非互易布里渊光散射。
2017-11-26 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Universal parity and duality asymmetries-based optical force/torque framework
本研究基于笛卡尔多极展开理论,建立了适用于任意尺寸手性球形粒子的光学力/力矩通用框架,按宇称和对偶性对称分类12个力/力矩源物理量,明确对称性破缺条件,为光学操控设计提供指导。
2024-10-05 physics.optics
Conservation of the spin and orbital angular momenta in electromagnetism
我们回顾和重新检查的描述和分离的自旋和轨道角动量(AM)的电磁场在自由空间。虽然光的自旋和轨道AM在正统量子力学或经典场论中不是单独有意义的物理量,但这些量通常被测量并用于光学应用。最近几位作者提出了一种对光的自旋和轨道AM有意义的量子描述,分别描述了这些量的守恒和可测量的积分值。然而,电磁场论仍然缺乏相应的局部守恒的自旋和轨道AM电流。在本文中,我们构造这些丢失的自旋和轨道AM密度和通量,满足适当的连续性方程。我们表明,这些是物理上可测量的和守恒量。然而,这些都不是洛伦兹协变的,所以只有在测量探头的单个实验室参考系中才有意义。我们得到的通量提高了规范(非保守)的自旋和轨道AM通量,并包括一个“自旋轨道”项,描述了在非傍轴光场中观察到的自旋轨道相互作用的影响。我们还考虑了电磁场论的标准和双对称形式。将一般理论应用于非傍轴涡旋光束验证了我们的结果,并使我们能够区分早期的方法来解决这个问题。我们的治疗产生的自旋和轨道AM的自由麦克斯韦场的量子力学和场论方法的完整和一致的描述。
2014-08-03 physics.optics quant-ph
New photonic conservation laws in parametric nonlinear optics
本文提出一种新方案,从超空间对称性推导出参数非线性光学中反射宇称与时空宇称两条新守恒定律,并在高次谐波产生中数值验证及提出实验检验方案。
2023-11-17 physics.optics
Light with a self-torque: extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum
携带轨道角动量(OAM)的扭曲光场为光通信、显微镜、量子光学和微粒旋转等领域的应用提供了强大的能力。在这里,我们介绍和实验验证一类新的光束,其独特的属性是与时间OAM变化沿脉冲:光的自转矩。自转矩是一种在电动力学和广义相对论中由物质-场相互作用引起的现象,但迄今为止,还没有光学模拟。特别地,光的自转矩是固有性质,其与OAM光束在与物理系统相互作用时施加的机械转矩不同。我们表明,自扭转光束在极紫外(EUV)自然出现的角动量守恒的非微扰高次谐波产生时,驱动的时间延迟脉冲具有不同的OAM的必然后果。此外,与时间相关的OAM自然地诱导方位角频率啁啾,这提供了用于监测高谐波EUV光束的自扭矩的签名。这种自扭转的EUV光束可以作为独特的工具,用于成像磁和拓扑激发,用于发射量子物质的选择性激发,以及用于在前所未有的时间和长度尺度上操纵分子和纳米结构。
2019-01-30 physics.optics
Nonlinearity-induced optical torque
提出通过非线性光散射将角动量转移给无吸收粒子的新机制,微观对称性破缺导致非线性负光学力矩,并可通过共振介电纳米结构验证。
2022-10-08 nlin.CD physics.optics
Circularly polarized high harmonic beams carrying self-torque or time-dependent orbital angular momentum
本文理论上提出两种驱动方案,克服了HHG中椭圆率增加导致效率下降的限制,实现了携带自扭矩的EUV光束从线偏振到圆偏振的精确调控,拓展了超快光物质相互作用在手性体系中的应用。
2024-07-30 physics.optics
Refraction of light and conservation laws
本文利用准粒子图像在基础层面解释了光的折射与不同动量的作用,并通过精确可解微观模型揭示了微观物理与有效介质Maxwell方程组之间的相互作用与张力。
2025-03-06 physics.class-ph physics.optics
Consistent formalism for the momentum of electromagnetic waves in lossless dispersive metamaterials and the conservation of momentum
利用波包积分技术,提出了一种新的计算超材料中电磁动量和机械动量的方法。该介质具有巨大的质量密度,因此可以被认为是几乎静止的入射电磁波。在无损色散超材料中(包括阻抗匹配和与真空失配的情况),利用该方法可以清楚地识别动量密度和动量流,包括它们的电磁和力学部分。研究发现,电磁动量密度与机械动量密度的比值取决于超材料内部电磁波的阻抗和群速度。其中一个明确的结果是,超材料中的电磁动量和机械动量都与能量流的方向相同,而不是波矢的方向。验证了总动量守恒。此外,还利用电磁能量密度和电磁功率密度的波包积分验证了垂直入射过程中的能量守恒定律,其中电磁功率密度是由感应(极化)电流与电磁波相互作用引起的。
2011-03-21 physics.optics
Mixing of spin and orbital angular momenta via second-harmonic generation in plasmonic and dielectric chiral nanostructures
我们提出了一个理论研究的特性的非线性自旋轨道角动量耦合的二次谐波产生诱导的等离子体和介电纳米结构的中心对称材料。特别是,相位奇异性和偏振螺旋在基波和二次谐波光场的纵向分量和散射体的对称性属性之间的连接进行了讨论。通过深入比较结构化光束与等离子体和介电纳米结构的相互作用,我们发现,表现出磁共振和电共振的全介电和等离子体纳米结构具有可比的二次谐波转换效率。此外,还揭示了单个和手征散射体团簇的二次谐波增强机制,并讨论了入射光束的光学角动量含量与非线性光散射增强的关系。特别地,我们给出了非线性自旋-轨道角动量相互作用的一般性角动量守恒定律,其中包括具有不同阶旋转对称性的手征结构的准角动量.作为我们的研究相关的纳米光子学的一个关键结论,我们认为,全电介质纳米结构提供了一个更合适的平台,实验研究自旋和轨道角动量之间的非线性相互作用,相比等离子体,主要是由于其较窄的共振峰,较低的固有损耗,和较高的可持续的光功率。
2017-04-20 physics.optics
Compton Scattering of a Twisted Light
描述了康普顿散射时光子轨道角动量的变化。从轨道角动量的基本守恒出发,确定了扭曲光的散射矩阵。两种不同的扭曲光模式:拉盖尔高斯和贝塞尔高斯,数值生成和说明。我们的分析表明,光子轨道角动量的状态是高度可变的广角散射,但更一致的小角度散射。
2017-07-19 physics.optics
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
Superkicks and the photon angular and linear momentum density
我们解决的问题,适当的定义空间结构的电磁场的动量密度。我们表明,当地获得的动量和角动量的表达式是不相同的,当一个使用正则能量动量张量,而不是对称的贝林凡特能量动量张量电动力学。这对物质与结构光(例如扭曲光子)的相互作用具有重要影响;并且会对小测试物体上感应的力和角动量产生截然不同的结果。我们显示,与数值估计的影响的大小,情况下,典型的和对称的形式引起非常不同的扭矩或(超级踢)反冲动量的小物体或原子转子,在广泛的情况下。
2022-07-01 physics.optics quant-ph
Conservation of a Half-Integer Angular Momentum in Nonlinear Optics with a Polarization Möbius Strip
能量、线动量和角动量的对称性和守恒定律在物理学中起着核心作用,特别是在非线性光学中。最近,具有非平凡拓扑结构的光场,如偏振莫比乌斯带或环面结光束,已经被揭开。它们不能与轨道和自旋角动量(OAM和SAM)的明确定义的值相关联,但在协调旋转下是不变的,即由广义角动量(GAM)算符产生的旋转对称性,OAM和SAM算符的混合。与整数值OAM和SAM不同,GAM可以具有任意值,并提出了它在非线性光学过程中的守恒性问题。通过驱动高次谐波产生与偏振莫比乌斯带和实施新的OAM表征方法在XUV范围内,我们实验观察的GAM的守恒,每个谐波携带一个精确的半整数GAM电荷等于基本字段乘以谐波阶数。因此,GAM被揭示为适当的量子数来描述由包含拓扑偏振奇异性的光场驱动的非线性过程。
2022-09-02 physics.atom-ph physics.optics
Force, Torque, Linear Momentum, and Angular Momentum in Classical Electrodynamics
经典电动力学理论建立在麦克斯韦方程组和电磁场、力、能量和动量的概念之上,这些概念通过坡印廷定理和洛伦兹力定律紧密联系在一起。麦克斯韦方程将电磁场与其物质源联系起来,而坡印廷定理则控制电磁能量的流动及其在电磁场和物质介质之间的交换,而洛伦兹定律则控制介质和电磁场之间的动量来回传递。爱因斯坦和劳布首先提出了另一种力定律,它与麦克斯韦方程组一致,并符合守恒定律和狭义相对论的要求。虽然洛伦兹定律要求在电场作用于磁化介质的情况下引入隐藏的能量和隐藏的动量,但电磁力和扭矩的爱因斯坦-劳布(E-L)公式在这种情况下并不调用隐藏的实体。此外,由电磁场施加在任何给定物体上的总力/扭矩与力/扭矩的密度是否使用洛伦兹定律或爱因斯坦和劳布定律进行评估无关。除了隐藏的实体,这两种公式的不同之处仅在于它们预测的物质内部的力和扭矩分布。这种分布上的差异有时是可以测量的,可以作为指导,以决定哪一种表述符合物理现实。
2017-09-21 physics.class-ph physics.optics
Brillouin light scattering by magnetic quasi-vortices in cavity optomagnonics
铁磁球可以支持回音壁模式形式的\textit{optical vortices}和具有非平凡自旋纹理的静磁模式形式的\textit{magnetic quasi-vortices}。这些涡旋可以用它们的轨道角动量来表征。我们在实验上研究了静磁模式中磁振子对回音壁模式中光子的布里渊散射,并将注意力集中在光涡旋和磁准涡旋之间的轨道角动量交换上。我们发现,在布里渊光散射中,轨道角动量守恒导致不同的非互易行为。将轨道角动量作为腔光磁学的一个新自由度,可以为手征光学和光自旋电子学开辟新的途径。
2017-11-26 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Energy, linear momentum, and angular momentum exchange between an electromagnetic wave-packet and a small particle
结合麦克斯韦的经典电动力学与电磁(EM)能量,动量,力和扭矩的表达式,我们用几个简单的例子来证明波包和小球形粒子之间的线性和角动量交换的性质。电磁场的线动量和角动量,当被粒子吸收时,会引起粒子的不同响应。
2018-09-14 physics.class-ph physics.optics
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
Nonlinear Circular Dichroism Reveals the Local Berry Curvature
Friedrich Schiller University Jena(耶拿弗里德里希·席勒大学);University of Regensburg(雷根斯堡大学)
研究通过非线性圆双折射揭示光子与晶格间角动量守恒与电子量子几何的联系,实验测量了原子薄半导体中的局部贝里曲率。
2026-04-15 cond-mat.mes-hall physics.optics
Conservation laws for Electron Vortices in Strong-Field Ionisation
我们调查扭曲的电子与一个明确的轨道角动量,已通过强激光场电离。通过制定一个新的变种著名的强场近似,我们能够推导出守恒定律的扭转电子的角动量的情况下,线性和圆极化领域。在线性场的情况下,我们证明了扭转电子的轨道角动量由初始束缚态的磁量子数决定。圆场的条件可以与著名的ATI峰联系起来,并为光电子能谱的这一基本特征提供了新的解释。我们发现的循环脉冲的长度是一个重要的因素,在这个选择规则,采用一个有效的频率,我们表明,光电子OAM发射光谱是敏感的奇偶性的激光周期数。这项工作提供了基本的理论框架,以了解OAM的光电子进行强场电离。
2021-07-07 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Optical Angular Momentum in Classical Electrodynamics
通过推导麦克斯韦的经典方程,结合电磁场的能量、动量、力和力矩的表达式,我们用几个简单的例子来说明电磁角动量的性质。电磁场的能量和角动量将被证明具有密切的关系;辐射电磁角动量的源必然会获得相等但相反的机械角动量;并且当被小粒子吸收时,电磁场的自旋和轨道角动量将引起粒子的不同响应。
2017-06-07 physics.class-ph physics.optics
The Force Law of Classical Electrodynamics: Lorentz versus Einstein and Laub
经典电动力学理论建立在麦克斯韦方程组和电磁场、力、能量和动量的概念之上,这些概念通过坡印廷定理和洛伦兹力定律紧密联系在一起。而麦克斯韦的宏观方程将电场和磁场与它们的物质源(即,波印廷定理(Poynting's theorem)控制电磁能量的流动及其在场和物质介质之间的交换,而洛伦兹定律(Lorentz law)控制介质和场之间动量的来回传递。事实证明,爱因斯坦和劳布在1908年首次提出的另一种力定律,与麦克斯韦的宏观方程组一致,符合守恒定律和狭义相对论的要求。虽然洛伦兹定律要求在电场作用于磁性材料的情况下引入隐藏的能量和隐藏的动量,但电磁力和扭矩的爱因斯坦-劳布公式在这种情况下并不调用隐藏的实体。此外,由电磁场施加在任何给定物体上的总力和总扭矩与力和扭矩密度是使用洛伦兹定律还是根据爱因斯坦-劳布公式计算无关。除了隐藏的实体之外,这两种公式的不同之处仅在于它们在整个材料介质中的预测力和扭矩分布。这种分布上的差异有时是可以测量的,可以作为指导,以决定哪一种表述符合物理现实。
2013-12-11 physics.class-ph physics.optics