[科普中國]-光子自旋器件

光子與其他微觀粒子一樣,具有內(nèi)稟角動量,即自旋。由于光波是橫波,所以自旋在光傳播方向上只有兩種可能投影值,即S=±h，其中“+”或“-”分別表示這兩個投影態(tài)與右旋或左旋圓偏振光子的自旋平行或反平行與其動量矢相對應(yīng)。而線偏振光子,自然呈現(xiàn)的平行或反平行于其動量矢的幾率是相等的。線偏振光子可把動量傳遞給其他物體,圓偏振光子對物體作用是一個轉(zhuǎn)動慣量。1

相關(guān)概念光子具有自旋,但是因為它們總是以光速運動,人們不能將自旋認(rèn)為是圍繞于一個固定點;相反的自旋軸總在運動的方向。

光子的干涉光子具有波粒二象性,楊氏雙縫干涉是驗證波動性最好的實驗,因此即便是一個光子,也可以實現(xiàn)這個衍射實驗。光子在楊氏雙縫干涉中的行為,可以應(yīng)用“光子位置定律”來解釋,即用電磁場理論計算觀察平面的光強分布,并將其轉(zhuǎn)換為探測光子位置的隨機幾率,以此表征粒子狀態(tài)下的光子運動行為(換句話說,極弱光情況下光子的運動概率行為)。2

光子自旋應(yīng)用光子自旋稱之為極化,這就是“偏振片”太陽鏡的行為所根據(jù)的現(xiàn)象。把兩偏振片重疊在一起并透視之。一般地講,你會發(fā)現(xiàn)有一定量的光透過去。使其中一片不動而旋轉(zhuǎn)另一片,通過的光量會發(fā)生變化。在一個方向上,穿透的光達(dá)到最大,第二偏振片實際上并沒減少穿透的光量;在與此垂直的方向上,第二偏振片可使通過的光量減少到零。

按照光的波動圖像最容易理解所發(fā)生的現(xiàn)象。在這里我們需要用麥克斯韋的光波的振動電磁場描述。右圖畫出了平面偏振的光。電場在一個稱為極化面的平面上下振動。而磁場在一個垂直于電場振動的平面上振動,電磁場相互共。每一偏振片讓極化面和偏振片結(jié)構(gòu)相平行的光通過。當(dāng)?shù)诙€偏振片的結(jié)構(gòu)和第一個指向一致時,所有通過第一偏振片的光就會通過第二偏偏振片。但是,當(dāng)它們結(jié)構(gòu)的方向相互垂直時,第二偏振片就將通過第一偏振片的光全部阻攔住。如果兩個偏振片的指向夾角為φ時,則第二偏振片讓cos2φ部分的光通過。

在粒子表像中,我們應(yīng)該把每一單獨光子認(rèn)為是具有偏振的。第一偏振片的行為像一個偏振度測量器。如果光子的確在一個合適的方向偏振,它就給出是的答案,并讓光子通過。如果光子在與此相垂直的方向偏振,則答案為非,光子就被吸收。(注意在希爾伯特空間中的的“正交”并不對應(yīng)于通?？臻g中的的“夾直角”)假定光子通過了第一偏振片,則第二偏振片就會問相應(yīng)的問題,但是對于某個其他的方向。如果兩個方向的夾角為φ,我們就有cosφ作為已經(jīng)通過第一偏振片的光子通過第二偏振片的概率。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)