¿Cuál es la diferencia entre un fotón y un fonón?

Más específicamente, ¿en qué se diferencia una dualidad onda-partícula de una excitación cuasipartícula/colectiva?

¿Qué hace que un fotón sea un bosón de calibre y un fonón un bosón de Nambu-Goldstone?

Para la última pregunta, ¿investigó esto de antemano? ¿O simplemente encuentras wikipedia insatisfactoria?: en.wikipedia.org/wiki/Photon#The_photon_as_a_gauge_boson . En cuanto a la primera pregunta, una diferencia llamativa es que la dualidad se refiere a partículas reales mientras que las excitaciones no son partículas reales (de ahí el término 'cuasi').
Los fotones también pueden considerarse como cuasipartículas: tienen fuentes y absorbentes y están involucrados en las correspondientes ecuaciones de fuente/absorbente. En otras palabras, no se les considera independientes de la materia, a decir verdad.

Respuestas (2)

No todos los fonones son bosones de Nambu-Goldstone y no todos los bosones de Nambu-Goldstone son fonones. Los bosones de Nambu-Goldstone son (generalmente) excitaciones sin espacios que surgen de la ruptura espontánea de la simetría. Por ejemplo, en un condensado de Bose-Einstein sin espín, el bosón NG es de hecho un fonón, con una dispersión lineal a baja energía. Sin embargo, en un ferromagneto, el bosón NG se llama magnón. Este magnón no tiene espacios, pero tiene una relación de dispersión cuadrática, como una partícula masiva, y generalmente no debería llamarse fonón.

En un cristal periódico, por ejemplo, los modos de fonones surgen debido a la simetría traslacional (discreta) pero no a la ruptura espontánea de la simetría: no son bosones NG. Como alguien señaló, la periodicidad no es necesaria. De hecho, en prácticamente todos los sistemas de materia condensada tienen fonones debido a la simetría traslacional (¡el aire tiene mucho!).

Como probablemente se dará cuenta, estoy mucho más inclinado hacia la materia condensada que la teoría de alta energía, ¡así que no estoy seguro de poder decir algo útil sobre los fotones!

¡Guau! Eso es realmente genial gracias por tomarse el tiempo para explicar eso.
@emarti: Creo que los fonones también son bosones NG en el cristal periódico, ya que la red rompe espontáneamente los impulsos del espacio-tiempo (y las traslaciones, las rotaciones). Las simetrías discretas residuales restringen las interacciones de baja energía del bosón NG. De hecho, la teoría de los fonones es invariante de Galileo (o de Poincaré) en lugar de ser simétrica solo bajo el subgrupo continuo discreto de la red. Vea mi respuesta a continuación.
Le pido perdón, pero la existencia de fonones no requiere periodicidad ni ninguna otra ruptura de simetría. Cada sólido continuo posee 3 ramas de fonones acústicos sin espacios.
@Slaviks: sí, la existencia de fotones no requiere la periodicidad del fondo (de hecho, también existen para fluidos y otros sólidos gelificados), pero sí requiere la ruptura espontánea de 3 simetrías de espacio-tiempo, a saber, los impulsos (o traducciones ). Este es un hecho muy básico que se reduce al hecho de que un fondo rompe la invariancia bajo impulsos galileanos o de Poincaré. Los impulsos locales corresponden a excitaciones sin intervalos porque no cuestan energía ya que las leyes de la física son de hecho invariantes de Galileo (o de Poincaré).
@argopulos +1; una linda perspectiva! ¿Es cierto que la diferencia se reduce esencialmente a si hay éter (por lo tanto, fonones) o no (por lo tanto, fotones)?
@Slviks: la existencia de un éter es sin duda una de las diferencias cruciales, pero no es la única. Seguramente el éter (+Galilean/Poincaré' symm.) explica la existencia de modos escalares sin espacios (los fonones) que están acoplados derivativamente; por el contrario, la existencia de una excitación sin masa (espín-1) del campo EM no proviene de una invariancia de fondo o de calibre per se '(la inversión de calibre se respeta para los bosones vectoriales masivos a través del truco de Stuckelberg que introduce un dof adicionales). Más bien proviene de tomar solo dos polarizaciones, la simetría de Lorentz y la localidad.
@Slaviks, sí, solo estaba usando un cristal periódico como ejemplo de algo que ni siquiera tiene simetría traslacional continua. El aire y los líquidos no tienen problemas para transportar el sonido.

Los fonones son bosones de Goldstone de una simetría de espacio-tiempo rota espontáneamente (ver, por ejemplo, http://arxiv.org/abs/hep-ph/9609466 ). Por lo general, se rompen los aumentos y las traslaciones de Galileo (o de Poincaré), pero el número resultante de Goldstones es menor o igual que el número de generadores rotos (por ejemplo, una traslación dependiente del espacio-tiempo no es independiente de un impulso). Los fonones son de espín 0 y se acoplan fuertemente, como todos los bosones de Goldstone, a la escala (por ejemplo, escala reticular) en la que se pueden excitar los grados de libertad microscópicos subyacentes.

En cambio, los bosones Spin-1 sin masa se describen por medio de la invariancia de calibre, que es una "simetría" de contabilidad que borra todas las interacciones que le darían al fotón una masa o reducirían el límite de la teoría haciéndolo fuertemente acoplado a distancias bastante grandes. Se puede intentar conectar los bosones de calibre sin masa de espín 1 con los bosones de Goldstone rompiendo las simetrías del espacio-tiempo con un parámetro de orden de espín 1. Estas son ideas muy especulativas que tienen una pequeña posibilidad de funcionar solo en los espacios-tiempos rotos de Poincaré.

¿Cuál es la diferencia entre un fotón y un fonón?
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