¿Cómo sabemos que los fotones tienen espín 1?

Curiosamente, las gafas de sol polarizadas proporcionan una prueba bastante sólida de que los fotones son de espín 1.

Eso es porque si rotas los polarizadores solo 90$^\circ$, encontrará que puede descomponer los fotones en dos poblaciones de fotones mutuamente excluyentes. Eso es geométricamente posible solo si la partícula en cuestión es un bosón vectorial, es decir, una partícula de espín 1.

Por el contrario, si estuviera preocupado por el "deslumbramiento de electrones" de la radiación de electrones de espín 1/2 que se aproxima (por favor, no intente esto en casa, ¿sí?), En su lugar, tendría que rotar sus "polarizadores de electrones" en 180$^\circ$para observar y aislar completamente las dos poblaciones distintas de electrones. Ambos ángulos del detector de polarización -- 180$^\circ$para spin 1/2 partículas, y 90$^\circ$para las partículas de espín 1: están profundamente vinculadas a las simetrías subyacentes de los espines de las partículas y, por lo tanto, identifican de manera única los espines de esas partículas.

Sin embargo, también debo señalar que existe una profunda extrañeza en la forma en que operan tales estados de polarización de fotones. Podrías llamarlo el problema del "estado perdido".

A modo de contraste, los átomos de plata también son de espín 1 y convenientemente tienen momentos magnéticos que permiten una separación "fácil". Por ejemplo, al usar tres dispositivos secuenciales de Stern-Gerlach, en principio puede dividir una población de átomos de plata en seis (sí, dije seis, no tres) poblaciones que corresponden geométricamente a átomos con ejes de giro orientados a lo largo de$\pm$X,$\pm$Y, y$\pm$Z. Para un solo átomo de plata, el uso extremadamente cuidadoso de esta misma disposición puede, en principio, crear fracciones espacialmente aisladas de la función de onda del átomo de plata. Sin embargo, cuando se hace esto, termina con no más de tres de los seis "soportes" en uso, uno a lo largo de cada eje. Por ejemplo, podría terminar con el 71 % de la función de onda del átomo de plata en el soporte +X Stern-Gerlach, el 55 % en -Y y el 45 % en +Z. (Es una suma vectorial, por lo que esos porcentajes se suman como componentes vectoriales).

Pero, ¿dónde está el experimento comparable para los fotones? Puede dividirlos en polarizaciones horizontales y verticales (o X e Y), claro. Pero dado que no puede detenerse en su dirección de propagación, ¿cómo puede manejar ese aspecto del proceso de separación?

(Hmm, pensamiento extraño: en realidad, hoy en día, hay algunos laboratorios que pueden detener por completo los fotones ahora mediante el uso de condensados ​​de Bose de átomos de metal especialmente sintonizados. Entonces, ¿alguna de esas personas pensó en idear una manera de mirar más de cerca el problema del "estado de fotones ocultos", me pregunto. ¿Podría estar relacionado con algunos de los experimentos que otros mencionaron en las respuestas?)

(Segundo pensamiento extraño: solo los fotones en el vacío viajan a$c$. No deberían girar 1 fotones viajando a través de medios refractivos a menos de$c$por lo tanto, ¿tiene algún tipo de versión explícita y accesible de los estados del vector a lo largo de sus ejes de propagación? Después de todo, tal desaceleración podría pensar (¿quizás?) como una mezcla de$c$y estados de fotones "detenidos", y este último presumiblemente muestra estados explícitos del eje de propagación).

Finalmente, al menos en comparación con los átomos de espín 1, los fotones tampoco se comportan muy bien con respecto a expresar una dirección de eje de espín singular. Por ejemplo, un solo eje X Stern-Gerlach divide los átomos de plata en tres grupos: +X, -X y "otros" (es decir, giro X cero). Los dispositivos posteriores de Stern-Gerlach pueden subdividir aún más el grupo "otro" en el resto$\pm$Y y$\pm$poblaciones Z.

Pero para los fotones, solo obtienes un grupo del eje X etiquetado como "polarización horizontal". ¿Hacia dónde apunta el eje de giro en ese caso? no lo hace El único$\pm$Los grupos X que se ven fácilmente con átomos de plata en realidad no tienen un análogo con los fotones, al menos ninguno que yo sepa. ¿Quizás alguien más pueda tener más ideas?

Entonces, mis disculpas por todos los "extras agregados", pero el punto original permanece: si bien es extraño en muchos sentidos, los fotones fácilmente y de manera demostrable revelan sus naturalezas de espín 1 por la forma en que se pueden dividir en dos poblaciones únicas y aisladas a través de un 90$^\circ$rotación de un detector de fotones (polarizador). Más allá de eso, los giros de fotones se vuelven bastante extraños y no tan simples.

Un método se basa en la conservación del momento angular.

La transición electrónica debe seguir la regla de selección$\Delta l=\pm 1$. Entonces, lo primero que debe hacer es elegir un átomo con un momento angular total cero, luego dejar que el átomo absorba un fotón y haga una transición a$l=1$estado.

En segundo lugar, utilizamos el experimento de Stern-Gerlach para detectar el momento magnético de este átomo, que son$m=0,\pm 1$en nuestro caso. Repitiendo los experimentos con fotones aleatorios, deberíamos ver que hay principalmente tres puntos brillantes en la pantalla: (1) no desviados, (2) arriba y (3) abajo. La distancia del punto exterior desde el centro también se puede calcular a partir de la teoría. Asegúrese de que la vida media del estado excitado sea lo suficientemente larga para el experimento.

De esta forma puedes probar que el fotón tiene espín=1. (Eso es lo que pensé, no hay referencia para el experimento real).

En Detección mecánica y medición del momento angular de la luz de Richard Beth , la luz brillante de una lámpara de arco de mercurio se polarizó circularmente y pasó a través de una placa de media onda (que invierte el sentido de la polarización circular) unida a un péndulo de torsión . Un poco de ingenioso diseño experimental envió la luz a través de la placa de media onda dos veces para que cada fotón intercambiara el momento angular.$4\hbar$con la fibra. Beth confirmó esta predicción y también demostró que era consistente con el momento angular almacenado en los campos del electromagnetismo clásico.

El giro del fotón es una investigación teórica en curso. Para el campo electromagnético clásico, el momento angular total es$\vec{J}=\vec{r}\times <\vec{E}\times \vec{B}>$(todos los vectores). En teoría de campo esta cantidad es$\vec{J}=\vec{L}+\vec{S}$, es calibre invariante y posible de observar. ¡Pero! Nadie encontró una forma correcta de representarlo en la suma de dos operadores invariantes de calibre para el momento orbital angular y el espín (L y S). Esto concluye el conocimiento teórico: no se conoce el operador del espín del fotón.

Es posible medir la componente Z del momento angular - helicidad.

Si está pensando en el giro del fotón como una cantidad MAGNÉTICA, definitivamente no está en lo correcto (tampoco está equivocado). No hay experimento de doble rendija para fotones :) Desafortunadamente.

Puede leer más aquí: http://arxiv.org/abs/arXiv:1006.3876

Hablando francamente, el fotón no es tan simple como la gente intenta fingir. Descifrar su naturaleza requerirá más esfuerzos.

Gracias por pensar.

Yo diría que esto es un hecho empírico. En física atómica no se observan transiciones ópticas (por ejemplo, inducidas por un láser) sin transferencia de momento angular. El cambio en el momento angular es siempre$\pm$1, eso es lo que puede transmitir el fotón. Ver http://en.wikipedia.org/wiki/Selection_rule Los estados atómicos con diferentes momentos angulares se identifican a través de sus diferentes niveles de energía debido al efecto Zeeman en un campo magnético.

Una derivación quizás no completamente rigurosa, pero fácil de entender:

Se puede demostrar que la magnitud del momento angular de la radiación clásica polarizada circularmente de frecuencia$\omega$y energía$E$es dado por$E/\omega$. Si ahora asumimos que la radiación se cuantifica en paquetes de energía$E = \hbar \omega$, llegamos a la conclusión de que el momento angular de la luz está cuantificado en paquetes de$\hbar$.