En óptica no lineal, es un proceso bastante común usar materiales no lineales para producir armónicos más altos de una onda incidente. Sobre el mecanismo de la generación de tales armónicos superiores, se menciona en el primer párrafo de un artículo que estoy leyendo (disponible en línea), que:
Las no linealidades ópticas son inherentemente débiles, porque están gobernadas por interacciones fotón-fotón habilitadas por materiales.
Entonces, me pregunto por qué se suele decir que los fotones no interactúan, o apenas interactúan.
Creo que en la óptica no lineal, el fotón de frecuencia fundamental interactúa con la materia y los fotones de mayor frecuencia son generados por la materia, y no tiene lugar una interacción directa fotón-fotón. Entonces, mis preguntas se reducen a ¿qué quiere decir el autor con la oración anterior?
Entonces, me pregunto por qué se suele decir que los fotones no interactúan, o apenas interactúan.
Hasta donde sabemos, los fotones no interactúan directamente entre sí. Matemáticamente, esto se manifiesta en el hecho de que las ecuaciones de movimiento para el electromagnetismo son lineales: dadas dos fuentes A y B de radiación electromagnética, el campo EM resultante es exactamente el mismo que si se tomara el campo que surgiría solo de la fuente A, el campo de la fuente B solo, y simplemente súmelos. En otras palabras
Otra forma más de decir esto es que si un fotón se está moviendo, la existencia de un segundo fotón no tiene absolutamente ninguna influencia sobre la trayectoria del primer fotón.
Las cosas se vuelven más interesantes cuando tienes algunas partículas cargadas involucradas. Si un fotón pasa junto a una partícula cargada, el campo electromagnético empuja esa partícula cargada. El movimiento resultante de la partícula cargada crea una nueva radiación electromagnética (también conocida como nuevos fotones). Entonces, teniendo en cuenta el sistema completo, los fotones ahora realmente interactúan. Por supuesto, no es una interacción directa; la interacción está mediada por las cargas. Aún así, puede decir que cuando tiene cargas involucradas, los fotones terminan interactuando entre sí y su dinámica ya no es lineal.
En la óptica no lineal, las personas encuentran materiales (generalmente cristales o átomos en una cavidad resonante) que interactúan con la fuerza suficiente con los fotones para dar como resultado una interacción fotón-fotón fuerte y efectiva . Esto es bastante difícil porque la luz interactúa bastante débilmente con la materia (partículas cargadas) en general.
las no linealidades ópticas son inherentemente débiles, porque están gobernadas por interacciones fotón-fotón habilitadas por materiales.
Esto significa lo que adivinó: la interacción fotón-fotón efectiva es débil porque está mediada por una interacción fotón-materia débil.
En resumen, ¡su conjetura es correcta!
Dos fotones no pueden interactuar directamente porque la única solución a su ecuación de movimiento que conserva tanto la energía como el momento es su dirección y frecuencia originales. La única excepción son dos fotones de idéntica frecuencia que se encuentran de frente, en cuyo caso podrían rebotar entre sí e invertir la dirección. Pero esto es indistinguible del caso en que se cruzan entre sí.
Esto es diferente a las colisiones de objetos físicos, y hay una buena razón para ello. Con materia normal, la Energía y el Momento se pueden asignar por separado. Con los fotones, no tienes esta opción ya que la energía y la magnitud del impulso son proporcionales. Esto nos deja con menos soluciones posibles que conservan energía e impulso. De hecho, solo una solución: sus direcciones y frecuencias originales.
Puedes obtener más soluciones si involucras materia ordinaria, ya que esto te da más grados de libertad en tu solución. Algunas de estas soluciones implican la emisión de fotones de mayor frecuencia que la fuente de fotones, y esto se utiliza para producir láseres de alta frecuencia.
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