Авторы исследования Александр Москаленский, заведующий Лабораторией оптики и динамики биологических систем Физического факультета НГУ, научный сотрудник Института химической кинетики и горения СО РАН и Максим Юркин, старший научный сотрудник Лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем ФФ НГУ, старший научный сотрудник ИХКГ СО РАН не просто привели и объяснили правильные формулы, а рассмотрели определение диполя с разных сторон: как абстрактный точечный объект (дельта-функция), как однородный шар с размером, стремящимся к нулю и, наконец, как малую частицу произвольной формы. Это дает цельное и исчерпывающее описание взаимодействия диполя с электромагнитными волнами. В результате статья «A point electric dipole: from basic optical properties to the fluctuation-dissipation theorem» опубликована в высокорейтинговом обзорном журнале Reviews in Physics.

 
Точечный диполь – это, казалось бы, одно из самых простых понятий в электродинамике. В электростатике надо просто взять два разноименных заряда, разделенных некоторым расстоянием. Если устремить это расстояние к нулю (то есть стянуть заряды в точку), то и получится модель точечного диполя. Выражения для электрического поля такого диполя хорошо известны. А если задана поляризуемость диполя, то легко посчитать наведенный дипольный момент – нужно просто умножить ее на внешнее электрическое поле. Однако в динамической задаче, то есть для осциллирующего электрического поля, не все так просто. С одной стороны, само понятие точечного диполя очень широко используется со времен Максвелла, когда речь идет об излучении и поглощении электромагнитных волн, в том числе молекулами и атомами, из которых состоят окружающие нас предметы. С другой, в научной литературе существуют различия при описании взаимодействия точечного диполя с электромагнитной волной. Некоторые из них терминологические (например, какую именно величину называть поляризуемостью), то есть не влияют на итоговый ответ, а некоторые приводят к ошибкам.

 
– Изначально мы решили разобраться с одной из таких ошибок, связанной с формулировкой флуктуационно-диссипационной теоремы – она важна, например, при моделировании теплопереноса на малых расстояниях с помощью излучения. Но в итоге мы подробно разобрались со всей существующей путаницей в литературе по этой теме. Дополнительной мотивацией было то, что одно из основных направлений наших исследований – это развитие метода дискретных диполей, в котором, как ясно из названия, правильное описание свойств диполя очень важно, – говорит Максим Юркин.

 
Важно, что ученые НГУ не просто привели и объяснили правильные формулы, а рассмотрели определение диполя с разных сторон: как абстрактный точечный объект (дельта-функция), как однородный шар с размером, стремящимся к нулю и, наконец, как малую частицу произвольной формы.

 
– Если говорить об абстрактном точечном объекте, то существующие описания в литературе отдельно определяют поляризуемость диполя, а потом постулируют связь его оптических свойств (интенсивность поглощения и рассеяния) с поляризуемостью. Мы же предложили один постулат – выражение для тензора Грина, который описывает электромагнитные свойства всего пространства в присутствии диполя. Из этого уже однозначно следует все остальное. Для двух других моделей диполя (на основании частиц конечного размера) математика сложнее, однако больше не требуется вообще никаких дополнительных постулатов – все свойства точечного диполя получаются из уравнений Максвелла при устремлении размера частицы к нулю, – добавил Александр Москаленский.

 
Почему в электростатике и электродинамике понятия диполя и его поляризуемости качественно различаются? То, что диэлектрическая проницаемость материала зависит от частоты падающего поля – это ещё полбеды. Главное, что осциллирующий диполь обязательно излучает. Поэтому, даже если диполь сделан из непоглощающего материала, он будет извлекать энергию из падающего поля, переводя ее в рассеянную волну. Соответствующая электростатическая поляризуемость никак не учитывает это рассеяние и поэтому приводит к нарушению закона сохранения энергии для осциллирующего диполя. Физики давно догадались решать эту проблему с помощью так называемой радиационной поправки – добавки к электростатической поляризуемости, которая зависит от частоты. Но закон сохранения энергии не определяет полностью данную поправку. В частности, в литературе было предложено много разных выражений для этих поправок – все они удовлетворяют закону сохранения энергии.

 
Авторы статьи разобрались с этой путаницей, с одной стороны, выведя общий вид добавки к поляризуемости, которая не изменяет поглощенную и рассеянную энергию. А с другой, показав, что любая такая тривиальная поправка не влияет ни на какие измеряемые характеристики в пределе размера диполя, стремящегося к нулю (т.е. ей можно во всех случаях пренебречь). Иными словами, есть определенная неоднозначность с этой поправкой, но она ни на что не влияет (как и следовало ожидать).

 
Следует отметить, что дополнительную актуальность данной работе придают исследования метаповерхностей. Так называются периодические структуры с элементарной ячейкой меньше длины волны, которые могут самым неожиданным образом преобразовывать внешнюю электромагнитную волну. Элементарную ячейку с произвольной частицей внутри можно рассматривать как точечный диполь, но только приближенно. Поэтому здесь особенно актуальны различные поправки к поляризуемости диполя.

 
– Мы также обсуждаем этот вопрос в нашей статье, но здесь вывод, скорее, неутешителен. Если размер объекта недостаточно мал, то помимо поправок к поляризуемости (которые действительно могут улучшить точность моделирования), в большинстве случаев необходимо учитывать и более сложное (мультипольное) взаимодействие объекта с внешним полем, – объяснил Максим Юркин.

Источники

Ученые НГУ расширили математическое описание электрического диполя
Новосибирский государственный университет (nsu.ru), 13/07/2021
Статья ученых НГУ и ИХКГ СО РАН о математическом описании электрического диполя опубликована в Reviews in Physics
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 14/07/2021

Похожие новости

  • 10/02/2021

    Статья новосибирских учёных вошла в выпуск Laser and Photonics Reviews

    В феврале 2021 года ученые из НГУ опубликовали в журнале Laser and Photonics Reviews обзор, посвященный характеризации одиночных частиц с использованием методов на основе светорассеяния. Работа охватывает обширную область исследования самых разных микрочастиц, начиная от атмосферной пыли и заканчивая клетками крови, а ее задача — объединить разрозненные наработки различных групп по всему миру.
    607
  • 22/10/2020

    Всё сжечь и лишь потом датировать: Детектив с участием Ускорительного масс-спектрометра ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера в изложении Юлии Черной

    ​​Необычайно древний манускрипт из Музея редких книг «Ғылым Ордасы» (Алма-Ата) произвел в Казахстане настоящий фурор. Радио­углеродный анализ показал рекордный возраст находки — 8 тыс. лет! Небольшой кусок претендента на самый древний письменный документ передали для подтверждения и в новосибирский Академгородок, специалисты которого уверенно заявили: подделка! Пытаясь искусственно состарить кожу, на которой и были написаны письмена, ее пропитали нефтяными смолами.
    930
  • 17/11/2017

    Сервис Publons включил новосибирского биофизика в число влиятельных мировых исследователей

    Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского (ИХКГ) СО РАН и старший преподаватель кафедры биомедицинской физики Физического факультета НГУ Максим Юркин дважды признан лучшим рецензентом года по версии веб-сайта Publons.
    1786
  • 20/05/2016

    Сибирский биофизик разработал компьютерную программу для оптических исследований межзвёздной пыли и клеток крови

    Биофизик Новосибирского государственного университета Максим Юркин занимается развитием метода дискретных диполей.  На его основе учёный разработал универсальную компьютерную программу ADDA, одним из приложений которой является моделирование светорассеяния биологическими клетками (в частности, клетками крови человека и бактериями).
    3031
  • 15/04/2021

    Молодые ученые обсуждают актуальные вопросы физики твердого тела

     В новосибирском Академгородке проходит Международная научная студенческая конференция (МНСК-2021), секцию «Физика твердого тела» принимает Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН.
    697
  • 25/12/2019

    Сибирские академики присмотрели новых звезд физики на олимпиаде

    ​Новосибирский госуниверситет провел отборочный этап олимпиады по физике, задания для которой составляют ученые, это позволяет найти среди школьников из Сибири и за ее пределами будущих звезд науки, сообщает оргкомитет олимпиады.
    822
  • 28/10/2020

    Академик РАН Михаил Федорук: примеры успешного участия вузов в прорывных научных исследованиях

    «Университет должен создавать высокотехнологичную, инновационную систему своего региона. Так что решения по итогам Госсовета в этой сфере правильны и своевременны», – сказал газете "Взгляд" ректор Новосибирского госуниверситета Михаил Федорук, комментируя поручения президента, направленные на проведение прорывных научных исследований и создание новых технологий и материалов.
    699
  • 30/11/2018

    Школа юного физика «Архимед» для старшеклассников

    ​Школа юного физика «Архимед» приглашает старшеклассников провести зимние каникулы нестандартно, интересно и полезно. Ежегодная зимняя школа пройдёт с 8 по 12 января. Здесь ребята, увлечённые физикой, познакомятся с современными достижениями в этой научной области.
    2485
  • 11/08/2020

    Академгородок 2.0 – приобретения и потери: мнения экспертов

    Что удалось сделать для развития Новосибирского научного центра за последние годы и какие задачи остаются нерешенными? Три известных российских ученых инвентаризируют достижения и проблемы в статье, написанной для «Континента Сибирь»*.
    2127
  • 12/03/2019

    Нобелевский лауреат Амано Хироси выступит с лекцией в НГУ

    В рамках визита японский ученый встретится с сотрудниками научно-исследовательских институтов СО РАН и студентами НГУ.   Японский инженер-электроник и физик Хироси Амано получил Нобелевскую премию по физике в 2014 году за создание светоизлучающих диодов, которые стали эффективными источниками света.
    2374