グース・ヘンヒェン効果
グース・ヘンヒェン効果の物理法則を示す光線図

グース・ヘンヒェン効果は、ヘルマン・フリッツ・グスタフ・グース（1883–1968）とヒルダ・ヘンヒェン（1919–2013）にちなんで名付けられましたが、アイザック・ニュートン（1643–1727）によって初めて理論化されました。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]は、直線偏光が全反射したときに小さな横方向のシフトを起こす光学現象です。シフトは、入射ビームと反射ビームを含む平面内における伝播方向に対して垂直です。この効果は、インベルト・フェドロフ効果の直線偏光版です。光学において最も研究されている非鏡面反射現象の1つです。[ 4 ]

グース・ヘンヒェン効果の音響的類似物はショック変位として知られている。 [ 5 ]

説明

この効果は、有限の大きさのビームの反射が平均伝播方向を横切る線に沿って干渉することによって発生します。図に示すように、入射角がわずかに異なるものの周波数または波長が同じ2つの平面波の重ね合わせは、次のように表されます。

E_（×、z、t）＝E_TE/TM（ejけ1⋅r+ejけ2⋅r）⋅e−jωt、{\displaystyle \mathbf {\underline {E}} (x,z,t)=\mathbf {\underline {E}} ^{\text{TE/TM}}\left(e^{j\mathbf {k} _{1}\cdot \mathbf {r} }+e^{j\mathbf {k} _{2}\cdot \mathbf {r} }\right)\cdot e^{-j\omega t},}

どこ

け1＝け[コス⁡（θ0+Δθ）×^+罪⁡（θ0+Δθ）z^]、{\displaystyle \mathbf {k} _{1}=k[\cos(\theta _{0}+\Delta \theta ){\hat {\mathbf {x} }}+\sin(\theta _{0}+\Delta \theta ){\hat {\mathbf {z} }}],}

そして

け2＝け[コス⁡（θ0−Δθ）×^+罪⁡（θ0−Δθ）z^]、{\displaystyle \mathbf {k} _{2}=k[\cos(\theta _{0}-\Delta \theta ){\hat {\mathbf {x} }}+\sin(\theta _{0}-\Delta \theta ){\hat {\mathbf {z} }}],}

と

け＝ωcn1。{\displaystyle k={\frac {\omega }{c}}n​​_{1}.}

2つの波は平均伝播方向に対して横方向に干渉パターンを生成することが示される。

け0＝け（コス⁡θ0×^+罪⁡θ0z^）、{\displaystyle \mathbf {k} _{0}=k(\cos \theta _{0}{\hat {\mathbf {x} }}+\sin \theta _{0}{\hat {\mathbf {z} }}),}

そして平面に沿ったインターフェース上で。 （y、z）{\displaystyle (y,z)}

両方の波は表面で反射し、異なる位相シフトを受け、有限ビームの横方向シフトを引き起こします。したがって、グース・ヘンヒェン効果はコヒーレンス現象です。

研究

この効果は、例えばナノフォトニクスの応用の文脈において、引き続き科学的研究のトピックとなっています。負のグース・ヘンヒェンシフトは、 Walter J. Wild とLee Gilesによって示されました。[ 6 ]生物学的分子の高感度検出は、横方向の変化の信号が標的分子の濃度と線形関係にあるグース・ヘンヒェンシフトの測定に基づいて達成されます。[ 7 ] M. Merano らによる研究[ 8 ]では、826 nm で金属表面 (金) から反射する光ビームの場合のグース・ヘンヒェン効果を実験的に研究しました。彼らは、p偏光の場合に入射面内で反射ビームの大幅な負の横方向シフトを報告し、 s偏光の場合 はより小さな正のシフトを報告しています 。

巨大なグース・ヘンヒェンシフトの発生

水と空気の全反射界面における横方向の位置のグース・ヘンヒェンシフトの値はわずか 5～10 μm であることが知られており、これを実験的に測定するのは非常に困難です。[ 9 ] [ 10 ]最大 100 μm の巨大なグース・ヘンヒェンシフトを発生させるために、金属と誘電体の界面に基づく表面プラズモン共鳴技術が適用されました。 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]金属表面上の電子は、特定の励起条件下で光波と強く共鳴します。光は金属ナノ構造によって完全に吸収され、共鳴角に極端な暗点が形成されます。したがって、全反射界面のこの特異な暗点によって巨大なグース・ヘンヒェン位置シフトが生成されます。[ 14 ]この巨大なグース・ヘンヒェンシフトは、生物学的分子の高感度検出だけでなく、量子情報処理や通信において重要な光子スピンホール効果の観測にも応用されている。 [ 15 ] [ 16 ]

参考文献

  1. ^ Caloz, Christophe ; Tatsuo Itoh編 (2006). 『電磁メタマテリアル：伝送線路理論とマイクロ波応用』 ホーボーケン, ニュージャージー: John Wiley & Sons. p. 50. ISBN 978-0-471-66985-2。
  2. ^デ・ハーン、ビクター-O。ぷっくり、ジェローン。レクフェルト、テオ M.クラーン、ウィッチャー・H.ヴァン そうですね、広告 A。ダルグリーシュ、ロバート M.ショーン・ラングリッジ (2010-01-08)。「中性子によるグース・ヘンヘンシフトの観察」。物理的なレビューレター。104 (1)。土井: 10.1103/PhysRevLett.104.010401。ISSN 0031-9007。 
  3. ^ウル・ハク、イクラ・ジア;サイード、アクエル A.ナクヴィ、カイサル・アッバス（2020）。「非整数次元媒質におけるグース・ヘンヘンシフトの観察」。オプティック。206 164071.土井: 10.1016/j.ijleo.2019.164071。
  4. ^ワン、ユハン;鄭、鄭。孔、魏京。趙、信。リュウ、ヤ。ビアン・ユーシェン。劉建生 (2012-04-09)。「ブロッホ表面波を励起することにより、グース・ハンチェンシフトがほぼ 3 桁増強される」。オプティクスエクスプレス。20 (8): 8998.土井: 10.1364/OE.20.008998。ISSN 1094-4087。 
  5. ^ Atalar, Abdullah (1978). 「反射音響顕微鏡におけるコントラストに対する角度スペクトルアプローチ」. Journal of Applied Physics . 49 : 5130–5139 . doi : 10.1063/1.324460 . hdl : 11693/50717 .
  6. ^ Wild, Walter J.; Giles, C. Lee (1982). 「吸収媒質からのGoos-Hänchenシフト」(PDF) . Physical Review A. 25 ( 4): 2099– 2101. Bibcode : 1982PhRvA..25.2099W . doi : 10.1103/physreva.25.2099 .
  7. ^ Jiang, L.; et al. (2017). 「分子レベル検出のための多機能双曲型ナノ溝メタサーフェス」 . Small . 13 (30): 1– 7. doi : 10.1002/smll.201700600 . PMID 28597602 . 
  8. ^ M. Merano; A. Aiello; GW 't Hooft; MP van Exter; ER Eliel; JP Woerdman (2007). 「金属反射におけるGoos Hänchenシフトの観察」. Optics Express . 15 (24): 15928– 15934. arXiv : 0709.2278 . Bibcode : 2007OExpr..1515928M . doi : 10.1364/OE.15.015928 . PMID 19550880. S2CID 5108819 .  
  9. ^ AW Snyder (1976). 「グース・ヘンヒェンシフト」 .応用光学. 15 (1): 236– 238. Bibcode : 1976ApOpt..15..236S . doi : 10.1364/AO.15.000236 . PMID 20155209 . 
  10. ^ RH Renard (1964). 「全反射：グース・ヘンヒェンシフトの新たな評価」アメリカ光学会誌. 54 (10): 1190– 1197. doi : 10.1364/JOSA.54.001190 .
  11. ^ X. Yin (2006). 「グース・ヘンヒェンシフト表面プラズモン共鳴センサー」 .応用物理学論文集. 89 (26): 261108. Bibcode : 2006ApPhL..89z1108Y . doi : 10.1063/1.2424277 .
  12. ^ AD Parks (2015). 「Kretschmann–Raether表面プラズモン共鳴装置におけるオフ共鳴Goos–Hänchenシフトの弱値増幅」 .応用光学. 54 (18): 5872– 5876. Bibcode : 2015ApOpt..54.5872P . doi : 10.1364/AO.54.005872 . PMID 26193042 . 
  13. ^ S. Zeng (2020). 「2Dハイブリッド原子薄ペロブスカイトナノマテリアルに基づくプラズモニックメタセンサー」 .ナノマテリアル. 19 (7): 1289– 1296. doi : 10.3390/nano10071289 . PMC 7407500. PMID 32629982 .  
  14. ^ Y. Wang (2021). 「位相特異点2Dナノマテリアル強化プラズモニックバイオセンサーに基づく標的サブアトモル癌バイオマーカー検出」 . Nano -Micro Letters . 13 (1): 96– 112. arXiv : 2012.07584 . Bibcode : 2021NML....13...96W . doi : 10.1007 /s40820-021-00613-7 . PMC 7985234. PMID 34138312. S2CID 229156325 .   
  15. ^ KY Bliokh (2015). 「光のスピン軌道相互作用」 . Nature Photonics . 9 (12): 796– 808. arXiv : 1505.02864 . Bibcode : 2015NaPho...9..796B . doi : 10.1038/nphoton.2015.201 . S2CID 118491205 . 
  16. ^ X. Yin (2015). 「メタ表面における光子スピンホール効果」 . Science . 339 ( 6126): 1405– 1407. doi : 10.1126/science.1231758 . PMID 23520105. S2CID 5740891 .  
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