[科普中国]-光子自旋器件

光子与其他微观粒子一样,具有内禀角动量,即自旋。由于光波是横波,所以自旋在光传播方向上只有两种可能投影值,即S=±h，其中“+”或“-”分别表示这两个投影态与右旋或左旋圆偏振光子的自旋平行或反平行与其动量矢相对应。而线偏振光子,自然呈现的平行或反平行于其动量矢的几率是相等的。线偏振光子可把动量传递给其他物体,圆偏振光子对物体作用是一个转动惯量。1

相关概念光子具有自旋,但是因为它们总是以光速运动,人们不能将自旋认为是围绕于一个固定点;相反的自旋轴总在运动的方向。

光子的干涉光子具有波粒二象性,杨氏双缝干涉是验证波动性最好的实验,因此即便是一个光子,也可以实现这个衍射实验。光子在杨氏双缝干涉中的行为,可以应用“光子位置定律”来解释,即用电磁场理论计算观察平面的光强分布,并将其转换为探测光子位置的随机几率,以此表征粒子状态下的光子运动行为(换句话说,极弱光情况下光子的运动概率行为)。2

光子自旋应用光子自旋称之为极化,这就是“偏振片”太阳镜的行为所根据的现象。把两偏振片重叠在一起并透视之。一般地讲,你会发现有一定量的光透过去。使其中一片不动而旋转另一片,通过的光量会发生变化。在一个方向上,穿透的光达到最大,第二偏振片实际上并没减少穿透的光量;在与此垂直的方向上,第二偏振片可使通过的光量减少到零。

按照光的波动图像最容易理解所发生的现象。在这里我们需要用麦克斯韦的光波的振动电磁场描述。右图画出了平面偏振的光。电场在一个称为极化面的平面上下振动。而磁场在一个垂直于电场振动的平面上振动,电磁场相互共。每一偏振片让极化面和偏振片结构相平行的光通过。当第二个偏振片的结构和第一个指向一致时,所有通过第一偏振片的光就会通过第二偏偏振片。但是,当它们结构的方向相互垂直时,第二偏振片就将通过第一偏振片的光全部阻拦住。如果两个偏振片的指向夹角为φ时,则第二偏振片让cos2φ部分的光通过。

在粒子表像中,我们应该把每一单独光子认为是具有偏振的。第一偏振片的行为像一个偏振度测量器。如果光子的确在一个合适的方向偏振,它就给出是的答案,并让光子通过。如果光子在与此相垂直的方向偏振,则答案为非,光子就被吸收。(注意在希尔伯特空间中的的“正交”并不对应于通常空间中的的“夹直角”)假定光子通过了第一偏振片,则第二偏振片就会问相应的问题,但是对于某个其他的方向。如果两个方向的夹角为φ,我们就有cosφ作为已经通过第一偏振片的光子通过第二偏振片的概率。3

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学