你的位置:首頁(yè) > EMC安規(guī) > 正文
淺談光鑷諾貝爾獎(jiǎng)背后的電磁理論及渦旋電磁波
發(fā)布時(shí)間:2018-10-26 來源:沙威 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】“科學(xué)家阿瑟·阿什金利用一束高度匯聚的激光形成三維勢(shì)阱來捕獲、操縱極其微小的粒子,利用激光將小粒子推向光束中心,并將它們限制在那里,從而更好地操縱。光鑷能夠抓取分子,把它們移動(dòng)到想要的地方,并對(duì)它們展開操作”。光鑷背后的物理,及引申出的深刻電磁理論,值得梳理和探討。
移動(dòng)物體需要力。眾所周知,速度隨時(shí)間變化產(chǎn)生加速度;因而動(dòng)量隨時(shí)間變化,產(chǎn)生力。電磁系統(tǒng)也有力,比如電場(chǎng)力qE,磁場(chǎng)力qv x B。產(chǎn)生這些力對(duì)應(yīng)的動(dòng)量叫機(jī)械動(dòng)量。但是,該機(jī)械動(dòng)量并不是守恒量,一如電子-電磁耦合系統(tǒng)中電子的動(dòng)量也不是守恒量一樣。
如果把電磁場(chǎng)或光看成粒子,一如一顆顆子彈,它也能傳遞力至物體上。當(dāng)電磁場(chǎng)經(jīng)歷鏡面反射的時(shí)候,因?yàn)樗俣确较虻母淖?,必然將?dòng)量傳遞給鏡面,產(chǎn)生試圖移動(dòng)鏡面的力。如果一束光被物體吸收,也有動(dòng)量傳遞給該物體。如果物體足夠小,足夠輕,這種力是有可能移動(dòng)物體的。這種場(chǎng)產(chǎn)生的動(dòng)量,應(yīng)該和電磁場(chǎng)的粒子性有某種聯(lián)系。根據(jù)德布羅意假說,動(dòng)量p = ?k = ?ω/c = E/c。如果把能量寫成功率和時(shí)間微分的乘積,功率寫成能流密度E x H和面積微元dS的乘積,時(shí)間寫成距離微元dl比上光速c,最終得到場(chǎng)動(dòng)量密度表達(dá)式E x H / c2。而場(chǎng)動(dòng)量加上機(jī)械動(dòng)量是一個(gè)守恒量,它們共同產(chǎn)生的力,可用麥克斯韋應(yīng)力張量來計(jì)算。這也是光力中最常用的計(jì)算方法。
如果進(jìn)一步深入分析場(chǎng)動(dòng)量的表達(dá)式,將會(huì)變得很有趣。在這個(gè)表達(dá)式中,如果將電場(chǎng)分解成縱向分量(近場(chǎng)、有源區(qū))和橫向分量(遠(yuǎn)場(chǎng)、無源區(qū)),縱向分量對(duì)應(yīng)的項(xiàng),∫v El x H / c2 dV,化簡(jiǎn)后居然是量子力學(xué)中對(duì)應(yīng)的場(chǎng)動(dòng)量qA。該場(chǎng)動(dòng)量qA和電子動(dòng)量mv加在一起是守恒量,被量子化后即正則動(dòng)量算子。而剩下的橫向分量,∫v Et x H / c2 dV,繼續(xù)分解,又可以分成兩項(xiàng),一項(xiàng)是自旋動(dòng)量,另一項(xiàng)是軌道動(dòng)量。前者和電磁波的極化有關(guān),圓極化帶有自旋角動(dòng)量。后者和電磁波的波前有關(guān),渦旋電磁波(如高斯拉蓋爾波束)帶有軌道角動(dòng)量。帶有自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的電磁波可以產(chǎn)生力矩,旋轉(zhuǎn)粒子。電磁場(chǎng)中的自旋和軌道角動(dòng)量的表達(dá)式和電子系統(tǒng)驚人的一致,除了自旋算子變成了3x3的Pauli矩陣而已。軌道動(dòng)量密度和軌道角動(dòng)量密度表達(dá)式正比于?E | -i?∇ | E? 和?E | r x (-i?∇) | E?,這顯然符合角動(dòng)量算子的形式,L=r x p= r x (-i?∇)。
如果把軌道角動(dòng)量空域表達(dá)式做傅里葉變換,得到k域表達(dá)式,k域的軌道動(dòng)量密度不是別的,正是Berry Connection的定義。將Berry Connection沿著某閉合路徑積分得到Berry Phase,除以2π就得到陳數(shù)。對(duì)圓極化的渦旋電磁波,該陳數(shù)聯(lián)系到電磁波的自旋(σ = -1,1)和軌道(l = 1,-1,2,-2,…)拓?fù)潆姾蓴?shù)之和。盡管渦旋波在自由空間通訊中遭遇模式串?dāng)_、波束發(fā)散、多徑效應(yīng)的困擾,它仍然是一個(gè)很穩(wěn)定的波束,小的擾動(dòng)不會(huì)改變其拓?fù)湫再|(zhì)。而理解渦旋電磁波和拓?fù)浣^緣體之間的聯(lián)系,及軌道角動(dòng)量通訊中如何挖掘渦旋電磁波的拓?fù)湫再|(zhì),是值得深入探索的課題。而從物理角度具有拓?fù)浞€(wěn)定的渦旋電磁波,在通訊工程上的實(shí)際應(yīng)用仍需極大努力。“Even though many problems are a ‘done deal’ in the physics community, they are not a ‘done deal’ in an engineering community. Much blood, sweat, and tears are needed.”
上述觀點(diǎn),是作者個(gè)人的思考和體會(huì),并不代表正確嚴(yán)格的電磁理論。歡迎大家批評(píng)指正!本文的數(shù)學(xué)公式(未發(fā)表),見如下圖片。
本文轉(zhuǎn)載自 電磁兼容EMC。
推薦閱讀:
在功耗敏感型應(yīng)用中利用高效率 超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器為精密SAR ADC供電
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測(cè)試庫(kù)獲得德國(guó)萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無線開發(fā)平臺(tái)引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來更多臺(tái)式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器, 以推動(dòng)不斷增長(zhǎng)的IO-Link市場(chǎng)
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無線局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 讓汽車LED照明無死角,LED驅(qū)動(dòng)的全面進(jìn)化
- 開關(guān)模式電源問題分析及其糾正措施:晶體管時(shí)序和自舉電容問題
- 熱電偶的測(cè)溫原理
- 【泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室】 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件
- ADALM2000實(shí)驗(yàn):變壓器
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
SPANSION
SRAM
SSD
ST
ST-ERICSSON
Sunlord
SynQor
s端子線
Taiyo Yuden
TDK-EPC
TD-SCDMA功放
TD-SCDMA基帶
TE
Tektronix
Thunderbolt
TI
TOREX
TTI
TVS
UPS電源
USB3.0
USB 3.0主控芯片
USB傳輸速度
usb存儲(chǔ)器
USB連接器
VGA連接器
Vishay
WCDMA功放
WCDMA基帶
Wi-Fi