ミー散乱
ミー散乱（ミーさんらん、独: Mie-Streuung）は、光の波長程度以上の大きさの球形の粒子による光の散乱現象である[1]。粒子のサイズが非常に大きくなると、ミー散乱と幾何光学の二つの手法による計算結果が類似するようになる。なお、波長に対して粒子（散乱体）が大きい場合は回折散乱が、光の波長の1/10以下になるとレイリー散乱が適用される。
グスタフ・ミーにより厳密解が導かれたとされているが、同時期にルードヴィヒ・ローレンツやピーター・デバイなども厳密解を得ていた。散乱の特徴として、粒子のサイズが大きくなるにつれて前方への指向性が強くなる。その際には、側方および後方へはあまり散乱しなくなる。
雲が白く見える一因である。これは雲を構成する雲粒の半径が数 - 数{{safesubst:#invoke:val|main}} の大きさで、太陽光の可視光線の波長に対してミー散乱の領域となり、可視域の太陽放射がどの波長域でもほぼ同程度に散乱されるためである。
応用
がんの検出とスクリーニング
ミー散乱理論は、角度分解低コヒーレンス干渉法を用いて、細胞組織からの散乱光が、健常細胞核または癌細胞核によるかどうかを決定するために用いられてきた。
磁性粒子
磁性体粒子において、多数の異常な電磁散乱効果が生じる。比誘電率が透磁率に等しい場合、後方散乱利得はゼロである。また、散乱放射は、入射放射と同じ向きで偏光される。粒子サイズがミー散乱の起きる限界まで小さい場合では、前方散乱がゼロであり、他の方向の散乱放射の完全な偏光のために、前方散乱と後方散乱における非対称性が生じる[2]。
メタマテリアル
ミー散乱理論はメタマテリアルの設計に使用されている。この種のメタマテリアルは、通常、低誘電率構造体に周期的またはランダムに埋め込まれた金属または非金属介在物の三次元複合材料からなる。
この場合、負の誘電率、もしくは透磁率は、介在物の共鳴ミー散乱時に現れるように設計される。
負の実効誘電率は電気双極子散乱係数の共鳴時に、負の実効透磁率は磁気双極子散乱係数の共鳴時に合わせて設計され、DNG（誘電率、透磁率ともに負の）媒質はこの両方に合わせて設計される。粒子は通常、以下の組み合わせを有する。
- 比誘電率と透磁率の値が1よりも大きく近接している1組の磁性体誘電体粒子
- 等しい誘電率を有するが異なるサイズを有する2つの異なる誘電体粒子
- 大きさは同じであるが誘電率が異なる2つの異なる誘電体粒子
理論的には、ミー散乱理論によって分析される粒子は一般に球形であるが、実際には、粒子は通常、製作を容易にするために立方体または円柱として作製される。格子定数が動作波長よりもはるかに小さいという形で述べることができる均質化の基準を満たすためには、誘電体粒子の比誘電率は1よりはるかに大きくなければならない。負の有効誘電率、たとえば負の誘電率（もしくは透磁率）を達成するためには比誘電率（もしくは透磁率）は εr > 78(38) でなければならない[3][4][5]。
アンテナ
ミー散乱理論では、先に磁性粒子の項で上げた通り、前方および後方散乱では非対称性が生じうるので、これを利用することで指向性アンテナを作成することができる。さらに、誘電体中における波長（光速）の変化によって、通常空間に比してアンテナは小型になりうる。結果、高い指向性と小型化を両立したアンテナを作成できる[6]。
また、誘電体粒子の共鳴ミー散乱を相互結合の代わりに用いることで、八木アンテナを形成することも可能であり、これを用いたナノスケールのアンテナを光学素子として用いる方法も提案されている[7]。
脚注
- 出典
参考文献
- Kerker, M.; Wang, D.-S.; Giles, C. L. (November 4, 1982). “Electromagnetic scattering by magnetic spheres” (PDF). J. Opt. Soc. Am. (OSA) 73 (6): 765-767. doi:10.1364/JOSA.73.000765. ISSN 0030-3941. OCLC 45576788.
- Holloway, C. L.; Kuester, E. F.; Baker-Jarvis, J.; Kabos, P. (14 October 2003). “A double negative (DNG) composite medium composed of magnetodielectric spherical particles embedded in a matrix”. IEEE Trans. Antennas. Propag. (IEEE AP-S) 51 (10): 2596–2603. Bibcode 2003ITAP...51.2596H. doi:10.1109/TAP.2003.817563. ISSN 0018-926X. LCCN 57039363. OCLC 605926506.
- Thomas Wriedt (November 19, 2007). “Mie theory 1908, on the mobile phone 2008.” (PDF). J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 109 (8): 1543–1548. doi:10.1016/j.jqsrt.2008.01.009. ISSN 0022-4073. LCCN 64009045. OCLC 1783070.
- Zhao, Q.; Zhou, J.; Zhang, F. L.; Lippens, D. (December 2009). “Mie resonance-based dielectric metamaterials”. Materials Today (Elsevier) 12 (12): 60–69. doi:10.1016/S1369-7021(09)70318-9. ISSN 1369-7021. LCCN 2001261059. OCLC 174838942.
- Li, Y.; Bowler, N. (12 April 2012). “Traveling waves on three-dimensional periodic arrays of two different magnetodielectric spheres arbitrarily arranged on a simple tetragonal lattice”. IEEE Trans. Antennas. Propag. (IEEE AP-S) 60 (6): 2727–2739. Bibcode 2012ITAP...60.2727L. doi:10.1109/tap.2012.2194637. ISSN 0018-926X. LCCN 57039363. OCLC 605926506.
- Alexander, E. K.; Dmitry, S. F.; Alexey, P. S.; Polina V. Kapitanova; Elizaveta A. Nenasheva; Yuri S. Kivshar; Pavel A. Belov (13 March 2012). “Experimental verification of the concept of all-dielectric nanoantennas” (PDF). Appl. Phys. Lett. (AIP) 100 (20): 201113. doi:10.1063/1.4719209. ISSN 0003-6951. OCLC 1580952.
- Alexander, E. K.; Dmitry, S. F.; Constantin, R. S.; Yuri S. Kivshar; Pavel A. Belov (6 February 2014). “Experimental demonstration of superdirective dielectric antenna” (PDF). Appl. Phys. Lett. (AIP) 104 (13): 133502. doi:10.1063/1.4869817. ISSN 0003-6951. OCLC 1580952.
- 鶴田, 匡夫 「ブロッケンの妖怪」『第3・光の鉛筆：光技術者のための応用光学』 新技術コミュニケーションズ、1993-10-01。全国書誌番号:21284124。ISBN 4915851109。OCLC 47490537。
関連項目
- レイリー散乱 - ミー散乱と異なり、光の波長よりも小さいサイズの粒子による光の散乱。