¿El momento angular orbital no tiene significado para los fotones individuales?

  1. En la cuantificación del campo electromagnético libre, se encuentra que los fotones polarizados circularmente a la izquierda corresponden a la helicidad S → ⋅ pag ^ = + ℏ y los fotones polarizados circularmente a la derecha corresponden a S → ⋅ pag ^ = − ℏ . Corresponden respectivamente a los estados

    a k → , + † | 0 ⟩ , y a k → , − † | 0 ⟩
    dónde
    a k → , ± † = 1 2 ( a k → , 1 † ± a k → , 2 † ) .
    Este pequeño cálculo se realiza en el libro QFT de Maggiore al observar la acción del operador de giro. S i j sobre estos estados. Pero no se menciona nada sobre el momento angular orbital de los fotones individuales. Mi pregunta es si los fotones individuales también llevan un momento angular orbital. En caso afirmativo, ¿cuáles son los valores del momento angular orbital en estados de una partícula? ¿Puede la superposición de dos fotones tener momento angular orbital? En caso afirmativo, ¿cómo determinar sus posibles valores?

  2. En Electrodinámica clásica (Ref. JD Jackson, 3.ª edición, página 350) o Teoría clásica del campo, el momento angular del campo electromagnético se define como

    j → = ϵ 0 ∫ d 3 X X → × ( mi → × B → )
    que se puede reducir a la forma
    j → = ϵ 0 ∫ d 3 X [ mi → × A → + ∑ i = 1 3 mi j ( X → × ∇ → ) A j ) .
    El primer término se puede identificar con la contribución de espín del momento angular del campo que tiene su origen en el momento angular de espín de los fotones individuales. El segundo término se identifica con el momento angular orbital del campo. ¿Existe un origen mecánico cuántico para este momento angular orbital?

  3. ¿Si no tiene sentido el momento angular orbital de los fotones individuales? ¿Es solo una propiedad de eso que surge solo cuando la colección de fotones construye un campo clásico?

Respuestas (3)

Mi pregunta es si los fotones individuales también llevan un momento angular orbital.

Sí. Ver https://en.m.wikipedia.org/wiki/Orbital_angular_momentum_of_light

En caso afirmativo, ¿cuáles son los valores del momento angular orbital en estados de una partícula?

Para citar la página de wikipedia

En particular, en una teoría cuántica, los fotones individuales pueden tener los siguientes valores de OAM: L z = metro ℏ .

Así que no es sólo a un nivel clásico.

¿Puede la superposición de dos fotones tener momento angular orbital?

Claro, son bosones, por lo que incluso pueden tener el mismo número cuántico de momento angular orbital.

Corto pero dulce. La página de wikipedia realmente hace un buen trabajo en este caso.
@Rococo Solo tan corto como es porque ignoré la última pregunta, por ejemplo, 'cómo determinar sus posibles valores'

Sí, los fotones individuales pueden tener un momento angular orbital. Sin embargo, a diferencia del giro, no están obligados a tener ninguno. Al igual que en el caso clásico, el momento orbital de los fotones individuales está determinado por la forma de su EM; en términos generales, el frente de onda debe tener un aspecto helicoidal. En particular, esto significa que los modos propios de la luz en una caja 3D (al menos, uno con lados de diferentes longitudes) no tendrán ningún momento angular orbital, que es una de las razones por las que tiende a ignorarse en muchos tratamientos QFT.

El momento angular orbital de fotones individuales es un tema de investigación popular en este momento debido a las aplicaciones de información cuántica. Por ejemplo, aquí hay un artículo reciente (acceso abierto) en el que los autores generan entrelazamiento entre pares de fotones en el grado de libertad del momento angular orbital.

También respondido brevemente aquí: physics.stackexchange.com/q/21744
@SRS Alguien también debería hacer justicia a las aplicaciones de haces electromagnéticos con OAM en pinzas ópticas, consulte, por ejemplo, este documento: st-andrews.ac.uk/~photon/manipulation/images/pdfs/HOBB.pdf . En algún momento, la NASA estaba considerando una versión macroscópica para recuperar muestras de polvo en el espacio, pero no tengo el vínculo en este momento.

Para obtener alguna evidencia experimental de fotones con momento angular orbital, considere las gammas emitidas en 2 + → 0 + transiciones en núcleos pares-pares.

No estoy seguro de la cuestión de la superposición, pero experimentalmente la excitación de Coulomb de un 4 + estado de un 0 + podría explicarse como a través de dos virtuales mi 2 fotones (Comentarios de otros píos nucleares bienvenidos. ;) )

No estoy seguro de que esto sea correcto. Siempre pensé que una transición electromagnética de alto multipolo almacenaba el momento angular en el sistema que consiste en el fotón emitido y el núcleo emisor. Hay muchas décadas de literatura sobre transiciones electromagnéticas multipolares, pero las discusiones sobre el momento angular orbital en fotones libres parecen ser más recientes.
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