Dynamical Response of Small Particles to Light Scattering

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6118-5
Title: Dynamical Response of Small Particles to Light Scattering
Author: Herranen, Joonas
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-08-25
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6118-5
http://hdl.handle.net/10138/317967
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Radiative torques are caused by interactions between particles and electromagnetic radiation, which is more commonly referred to as electromagnetic scattering. Radiative effects can dominate the behavior of small particles, such as cosmic dust. Radiative torques on small irregular shapes have been found to be a key candidate in aligning spinning cosmic dust grains, which in turn polarizes light passing through dust clouds and emitted by the dust, first observed over 70 years ago. Numerical methods of electrodynamics have evolved with the available computing power to be the main tool of understanding the dynamics due to the scattering process, or scattering dynamics, which is the focus of this thesis. Efficient analysis of scattering dynamics involves contemporary numerical methods, which provide numerically exact solutions of electromagnetic scattering by irregular particles. In this thesis, an overview of electromagnetic scattering and scattering dynamics is presented. In addition, the applications of scadyn, a software developed for the solution and analysis of scattering dynamics are discussed. The main applications include radiative torque alignment and optical tweezers.Sähkömagneettinen sironta on keskeinen vuorovaikutusmekanismi valon tai muun sähkömagneettisen säteilymuodon ja pienkappaleien välillä. Monet vaikuttavat arjen ilmiöt, kuten halot ja sateenkaaret, kuten myös taivaan sinisyys, on seurausta valonsironnasta. Optisten ilmiöiden lisäksi sironta aiheuttaa myös dynaamisen vasteen pienkappaleessa säteilypaineen ja -vääntömomentin muodossa. Siinä, missä säteilypaine työntää pienkappaleita, esimerkiksi komeetan pölyhännän pölyä poispäin Auringosta, säteilyvääntömomentit pyörittävät pieniä hiukkasia tehokkaasti. Lyhennettäköön säteilyvääntömomentti säteilyväännöksi. Säteilyväännöt voivat pyörittää hiukkasia, joilla on nk. optinen kätisyys, eli ne sirottavat valon eri polarisaatioasteita eri tavoin. Tähtitieteilijät havaitsivat yli 70 vuotta sitten tähtien valon polarisoituvan, kun valo kulkee pölypilvien läpi. Lisäksi pölyn itsensä emittoiman säteilyn tunnetaan olevan polarisoitunutta. Molemmat havainnot selittää pölypilvi, jonka epäsäännöllisen muotoiset pölyhiukkaset ovat keskimäärin säännönmukaisissa asennoissa, joissa enemmistö hiukkasten pisimmistä lävistäjistä on samassa tasossa. Tämänkaltainen tilanne on mekaniikan lakien mukaisesti stabiilein, kun pölyhiukkaset pyörivät. Vuosikymmenten tutkimuksen aikana on ilmennyt, että uskottavin ja yleispätevin pölyhiukkasten säännönmukaisen pyörimisen selittävä tekijä on säteilyvääntö. Erityisesti numeeristen simulaatioiden ja laskentatehon kehittyessä epäsäännöllisten hiukkasten säteilyvääntöjen ja pyörimistilan kehityksen, jota kutsuttakoon sirontadynamiikaksi, ymmärrys on kehittynyt harppauksin viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana. Tämän artikkeliväitöskirjan johdanto esittää sähkömagneettisen sironnan ja sirontadynamiikan yleisellä tasolla. Sirontadynamiikkaa mallintavan scadyn-ohjelmiston, joka on ollut keskeinen työkalu väitöskirjan laatimisessa, ominaisuuksia ja sovelluskohteita käsitellään johdanto-osuuden lopussa.
Subject: teoreettinen fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record