Спиновый угловой момент света - Spin angular momentum of light - Wikipedia

В спиновый угловой момент света (СЭМ) - компонент угловой момент света что связано с квантовый спин и вращение между поляризация степени свободы фотона.

Вступление

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

An электромагнитная волна говорят, что имеет круговая поляризация когда это электрический и магнитные поля непрерывно вращаются вокруг оси луча во время распространения. В круговая поляризация осталось () или право () в зависимости от направления вращения поля и, согласно принятому соглашению: либо с точки зрения источника, либо приемника. Оба соглашения используются в науке в зависимости от контекста.

Когда луч света имеет круговую поляризацию, каждый из его фотоны несет спиновый угловой момент (SAM) , куда это приведенная постоянная Планка и знак положительный для оставили и отрицательный для верно круговая поляризация (это принятие соглашения с точки зрения приемника, наиболее часто используемого в оптика ). Этот SAM направлен вдоль оси луча (параллельно, если положительный, антипараллельный, если отрицательный). На рисунке выше показана мгновенная структура электрического поля левой () и вправо () циркулярно поляризованный свет в космосе. Зеленые стрелки указывают распространение направление.

Математические выражения, представленные под рисунками, дают три компонента электрического поля плоской волны с круговой поляризацией, распространяющейся в направление, в сложный обозначение.

Математическое выражение

Общее выражение для спинового углового момента:[1]

куда это скорость света в свободном пространстве и это сопряженный канонический импульс из векторный потенциал . Общее выражение для орбитального углового момента света имеет вид

куда обозначает четыре индекса пространство-время и Соглашение о суммировании Эйнштейна был применен. Чтобы квантовать свет, основной

должны быть постулированы соотношения равновременной коммутации,[2]

куда это уменьшенная постоянная Планка и - метрический тензор Пространство Минковского.

Тогда можно убедиться, что оба и удовлетворяют каноническим соотношениям коммутации углового момента

и они ездят друг с другом .

После расширения плоской волны спин фотона можно перевыразить в простой и интуитивно понятной форме в пространстве волновых векторов

где вектор-столбец является полевым оператором 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 и единичный вектор обозначает продольную поляризацию.

Из-за того, что продольно поляризованный фотон и скалярный фотон были задействованы, оба и не являются калибровочно-инвариантными. Чтобы включить калибровочную инвариантность в угловые моменты фотонов, необходимо выполнить повторное разложение полного QED угловой момент и условие калибровки Лоренца должны выполняться. Наконец, прямая наблюдаемая часть спинового и орбитального угловых моментов света определяется выражением

и

которые восстанавливают угловые моменты классического поперечного света.[3] Здесь, () - поперечная часть электрическое поле (векторный потенциал ), это диэлектрическая проницаемость вакуума, и мы используем Единицы СИ.

Мы можем определить операторы аннигиляции для циркулярно поляризованных поперечных фотонов:

с единичными векторами поляризации

Тогда спин фотона в поперечном поле можно перевыразить как

Для одиночной плоской волны фотон, спин может иметь только два значения , которые собственные значения оператора спина . Соответствующие собственные функции, описывающие фотоны с четко определенными значениями SAM, описываются как волны с круговой поляризацией:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ян, Л.-П .; Khosravi, F .; Джейкоб, З. (2020). «Квантовый спиновый оператор фотона». arXiv:2004.03771 [Quant-ph ].
  2. ^ Greiner, W .; Райнхардт, Дж. (29 июня 2013 г.). «Глава 7». Квантование поля. ISBN  9783642614859.
  3. ^ Cohen-Tannoudji, C .; Dupont-Roc, J .; Гринберг, Г. (1997). «Глава 1». Фотоны и атомы - введение в квантовую электродинамику. Wiley-VCH. ISBN  9780471184331.

дальнейшее чтение