Спин - это фундаментальное свойство, которое различает два типа элементарных частиц: фермионы с полуцелыми спинами и бозоны с целыми спинами. Фотоны, являющиеся квантами света, долгое время считались калибровочными бозонами спина 1. Поляризация света обычно считается его «внутренней» спиновой степенью свободы. Однако в свободном пространстве допустимы только две поперечные поляризации. Таким образом, спин фотона всегда связан только с двумя круговыми поляризациями. Чтобы построить полный квантовый спиновый оператор света, необходимо ввести продольно поляризованные фотонные моды.
Левая и правая круговая поляризация и связанные с ними угловые моменты
Считается, что электромагнитная волна имеет круговую поляризацию, когда ее электрическое и магнитное поля непрерывно вращаются вокруг оси луча во время распространения. Круговая поляризация остается ( ) или вправо ( ) в зависимости от направления вращения поля и, в соответствии с конвенцией , используемой: либо с точки зрения источника или приемника. Оба соглашения используются в науке в зависимости от контекста.
Когда световой луч имеет круговую поляризацию, каждый из его фотонов имеет спиновый угловой момент (SAM), равный , где - приведенная постоянная Планка, а знак положительный для левой и отрицательный для правой круговой поляризации (здесь принято соглашение с точки зрения обзора приемника, наиболее часто используемого в оптике ). Этот ЗРК направлен вдоль оси луча (параллельно, если положительный, антипараллельный, если отрицательный). На приведенном выше рисунке показана мгновенная структура электрического поля света с левой ( ) и правой ( ) круговой поляризацией в пространстве. Зеленые стрелки указывают направление распространения .
Математические выражения, представленные под рисунками, дают три компонента электрического поля циркулярно поляризованной плоской волны, распространяющейся в направлении, в комплексных обозначениях.
Математическое выражение
Общее выражение для спинового углового момента [1]
Тогда можно проверить, что оба и удовлетворяют каноническим соотношениям коммутации углового момента
и они ездят друг с другом .
После расширения плоской волны спин фотона может быть перевыражен в простой и интуитивно понятной форме в пространстве волновых векторов
где вектор-столбец - это полевой оператор фотона в пространстве волновых векторов, а матрица
- оператор спина 1 фотона с генераторами вращения SO (3)
, , ,
и два единичных вектора обозначают две поперечные поляризации света в свободном пространстве, а единичный вектор обозначает продольную поляризацию.
Благодаря продольному поляризованный фотон и скалярный фотон был вовлечен в процесс, как и не измерить инварианта. Чтобы включить калибровочную инвариантность в угловые моменты фотонов, необходимо выполнить повторное разложение полного углового момента КЭД и условие калибровки Лоренца. Наконец, прямая наблюдаемая часть спинового и орбитального угловых моментов света определяется выражением
Мы можем определить операторы аннигиляции для циркулярно поляризованных поперечных фотонов:
с единичными векторами поляризации
Тогда спин фотона в поперечном поле можно переформулировать как
Для одиночного фотона с плоской волной спин может иметь только два значения , которые являются собственными значениями оператора спина . Соответствующие собственные функции, описывающие фотоны с четко определенными значениями SAM, описываются как волны с круговой поляризацией:
Смотрите также
Уравнение Гельмгольца
Орбитальный угловой момент света
Поляризация фотона
Спиновая поляризация
использованная литература
^ Ян, Л.-П .; Khosravi, F .; Джейкоб, З. (2020). «Квантовый спиновый оператор фотона». arXiv : 2004.03771 [ квант-ф ].
^ Greiner, W .; Рейнхардт, Дж. (29 июня 2013 г.). «Глава 7». Квантование поля . ISBN 9783642614859.
^ Cohen-Tannoudji, C .; Dupont-Roc, J .; Гринберг, Г. (1997). «Глава 1». Фотоны и атомы - Введение в квантовую электродинамику . Wiley-VCH. ISBN 9780471184331.
дальнейшее чтение
Борн М. и Вольф Э. (1999). Принципы оптики: электромагнитная теория распространения, интерференции и дифракции света (7-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-64222-4.
Allen, L .; Барнет, Стивен М. и Пэджетт, Майлз Дж. (2003). Оптический угловой момент . Бристоль: Институт физики. ISBN 978-0-7503-0901-1.
Торрес, Хуан П. и Торнер, Луис (2011). Закрученные фотоны: приложения света с орбитальным угловым моментом . Бристоль: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40907-5.