Спин фотона и полный угловой момент

Под этой фразой может подразумеваться ряд вещей, и без точной формулировки невозможно точно сказать, о чем идет речь в тексте. Тем не менее, есть ряд существенных моментов, о которых следует помнить.

• Спин - это тип углового момента. Угловой момент, по самой своей сути, является сохраняющейся величиной, которая соответствует, по теореме Нётер , вращательной инвариантности: другими словами, если гамильтониан системы вращательно инвариантен, то угловой момент сохраняется, а угловой момент действует как генератор вращения преобразования. Для частиц со спином именно спин действует как генератор вращения, так что только он один должен заключить сделку, но мы также знаем, что его можно обменять на более обычный механический угловой момент (через эффект Эйнштейна-де Гааза ) .

  То же самое и с фотонами ─ их спин действует как генератор вращений внутренних степеней свободы электромагнитного поля, т.е. векторных аспектов поляризации ЭМ поля, и с таким же успехом может действовать механически (инструмент, известный как оптический гаечный ключ ) для передачи углового момента материальным частицам.

• С другой стороны, вращение — не единственный тип углового момента, который может удерживать свет. Вместо этого, как и материя, свет может удерживать орбитальный угловой момент , который возникает из-за того, как его линейная плотность импульса распределяется в пространстве и, следовательно, из того, как устроены его волновые фронты и пространственная зависимость. И, как и в ссылке выше, оптические гаечные ключи также можно использовать для перевода его в механическое угловое движение.

• Тем не менее, существует фундаментальная проблема в попытке разделить полный угловой момент света.$\mathbf J$на спиновую и орбитальную составляющие$\mathbf J = \mathbf L + \mathbf S$. Если вы хотите правильно рассчитать математику, потребуется много тонкостей, в основном связанных с аспектами свободы калибровки КЭД (с которых вы можете начать, например, здесь ), но основная идея заключается в том, что вы не можете вращать поляризацию света произвольно. и придерживайтесь уравнений Максвелла: если у вас есть волна, линейно поляризованная вдоль$x$распространяющийся вдоль$z$и вы делаете поворот на 90° вокруг$y$оси, то волна перестанет быть поперечной и нарушит закон Гаусса.

  В конечном счете это означает, что трудно дать полностью надежное определение углового момента вращения фотона, но существует множество определений, которые (хотя и не являются пуленепробиваемыми) достаточно хороши для подавляющего большинства практических целей.

Наконец, если вам нужно всеобъемлющее, но читабельное введение в тему углового момента света, я бы порекомендовал эту докторскую диссертацию:

РП Кэмерон. Об угловом моменте света . Кандидатская диссертация, Университет Глазго (2014) .