¿Se puede crear un solo fotón en el laboratorio?

Question

¿Se puede crear un solo fotón en el laboratorio? ¿Cómo se puede asegurar que se ha creado realmente un solo fotón?

Answer 1

Tienes toda la razón al centrarte en el aspecto de la detección. Quizá le sorprenda que la comunidad de físicos estuviera convencida de la existencia del fotón desde principios de los años 20 después de El experimento de Compton pero que hemos tenido que esperar hasta los años 70 para que un solo fotón sea realmente "visto". Entonces, ¿cómo podemos demostrar que tenemos uno y sólo un fotón?

Un fotón no puede ser dividido

El truco consiste en utilizar un divisor de haz, es decir, un espejo semiparalizado. Una onda luminosa clásica que incida en el espejo verá reflejada la mitad de su intensidad y transmitida la otra mitad. La propia definición de un fotón es que no puede dividirse. Por lo tanto, un solo fotón se reflejará o se transmitirá, pero nunca irá en ambas direcciones a la vez. Además, para que coincida con la ley de intensidad, las probabilidades serán de 50/50 para los dos caminos. Un montaje experimental puede ser esbozado como sigue.

Los fotodetectores son lo suficientemente rápidos como para registrar con precisión el momento de la detección. A continuación, se traza el número de clics en un detector y en el otro en función del retardo $\tau$ entre los clics. Esperamos que el recuento caiga en cero a medida que $\tau$ se reduce a cero si realmente tenemos un único fotón, ya que no puede acabar en los dos detectores a la vez. Por el contrario, como $\tau$ se espera que este número de clics aumente a medida que la ventana de tiempo sea lo suficientemente grande como para que dos o más fotones sucesivos impacten en diferentes detectores. Esto es exactamente lo que muestran los experimentos. Este es un gráfico de [KDM77]

La bajada cerca de $\tau=0$ se denomina efecto antipandeo. El valor cero no se alcanza porque existe una incertidumbre experimental sobre el retardo, que por tanto nunca es verdaderamente cero. Así, en efecto, nunca hay un solo fotón en el montaje experimental. Este experimento descarta una teoría ondulatoria pura de la luz por la razón expuesta al principio de esta respuesta: la imposibilidad de explicar por qué no obtenemos clics coincidentes independientemente del retardo, ya que la mitad de la onda tomaría cada camino y cada mitad golpearía su respectivo fotodetector al mismo tiempo. Por el contrario, el resultado se predice claramente si hay cuantos de luz.

Hay que dar crédito a Clauser [Clau74] por la primera investigación de este tipo de física. El título de ese artículo es realmente revelador en sí mismo: puede resultar sorprendente ya que se nos ha dicho ampliamente que Einstein había demostrado la existencia del fotón en ese mismo efecto fotoeléctrico en su famoso artículo de 1905, pero como bien explica Clauser en su introducción, en realidad no es así. Este tema ha sido discutido a fondo en esta sección de Preguntas y Respuestas sobre Física. aquí : ver especialmente la respuesta escrita por @ArnoldNeumaier, pero hay un montón de buenos argumentos y referencias a lo largo de la página. Otra ilustración de la triste brecha entre la enseñanza y la divulgación de la física, por un lado, y la física real, por otro, pero divago.

Hay que tener en cuenta que los argumentos esgrimidos por este tipo de experimento son, en cierto modo, similares al ejemplo del patrón de difracción construido un fotón a la vez dado en la respuesta de @annav: podríamos decir que los experimentos tipo Clauser discriminan temporalmente mientras que la difracción uno a uno discrimina espacialmente, ya que en una teoría ondulatoria pura de la luz, por muy débil que sea la señal entrante en el difractómetro, alguna intensidad llegará a todos los puntos de la pantalla.

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Después de esos experimentos, los investigadores buscaron la manera de asegurarse de que un fotón y sólo un fotón estuviera en el sistema óptico. Era necesaria alguna idea nueva, como se puede ver en el siguiente argumento: aunque el retraso $\tau$ se hace tan pequeño que el recuento coincidente en ambos detectores es sólo de un fotón, sólo sabríamos que un fotón fue en el sistema óptico. En cambio, nos gustaría saber que un fotón va a entrar en el sistema óptico, para poder entonces hacer con seguridad varios experimentos sobre él. Dos equipos hicieron un gran avance en 1986, Hong y Mandel [HM86] por un lado, y Grangier, Roger y Aspect [GRA86] por otro. Sus experimentos pueden resumirse como sigue:

• una fuente que produce dos haces de luz (uno detrás del otro para Grangier et al, en dos conos concéntricos para Hong et al; los procesos físicos en funcionamiento son completamente diferentes pero no importa a nivel de esta exposición);
• un sistema óptico para enviar un haz a una trayectoria óptica P que termina en un fotodetector A y el otro a una trayectoria óptica diferente Q.

La idea es que si la fuente es en realidad una fuente de pares de fotones tal que cada fotón del par se emite casi al mismo tiempo, entonces la llegada de un fotón a A garantizará que haya un fotón y sólo un fotón en el camino Q. Así, el fotón que llega a A es el "heraldo" del otro, de ahí el nombre de esta técnica, heralding. Pero ahora, usted puede decir que volvemos a suponer fotones únicos, pero de hecho ambos equipos realizaron análisis complementarios que apuntan convincentemente hacia esa conclusión.

Se descarta la teoría ondulatoria clásica

Grangier et al. han añadido un elemento: en la trayectoria Q, han colocado un divisor de rayos que envía el rayo reflejado a un fotodetector B' y el transmitido a otro B'' en un montaje similar al experimento de Clauser mencionado anteriormente. Pero aquí, un golpe en A abre B' y B'' para el recuento durante una corta duración $w$ de unos 10 nanosegundos (decimos que B' y B'' están cerrados por A). A continuación, realizaron tres recuentos: la tasa de aciertos $N$ en A, $N'$ en B', $N''$ en B'', y la tasa de aciertos coincidentes $N_c$ en B' y B''.

La predicción de la óptica cuántica en términos de pares de fotones es fácil de ver: como el número de fotones $Nw$ al golpear A durante una puerta disminuye hacia 0, el número de fotones que llegan al divisor de rayos también disminuirá, hacia 1. Entonces, por un razonamiento similar al del experimento de Clauser anterior, concluimos que el número de fotones coincidentes $N_cw$ disminuirá hacia 0, mientras que el número de fotones que inciden respectivamente en B y B' disminuirá hacia 1.

Por otro lado, Grangier et al consideraron la predicción de la teoría clásica de las ondas. Se puede demostrar que los índices deben cumplir la siguiente desigualdad:

$$\frac{N_c}{N} \ge \frac{N'}{N}\frac{N''}{N}.$$

Así que trazaron la relación $\alpha$ de los dos lados de esta desigualdad

$$\alpha = \frac{N_cN}{N'N''}$$

frente al número de aciertos $Nw$ durante la apertura de la puerta por A. Una descripción mecánica cuántica predice que $\alpha$ va a 0 como $Nw$ es 0, como acabamos de explicar. Este es su resultado:

La línea de puntos es el límite clásico $\alpha=1$ La curva es la predicción mecánica cuántica completa que tiene en cuenta todos los detalles experimentales, y las barras son las mediciones. Está claro que el comportamiento clásico queda descartado, mientras que el mecánico cuántico está respaldado por los datos.

Grangier et al no pudieron concluir más que eso porque sus pares de fotones tenían una distribución demasiado amplia del retardo entre la emisión de cada miembro del par: la mitad de los pares tenían sus fotones emitidos con al menos 5 nanosegundos de diferencia. A Hong et al les tocó demostrar realmente que tenían un solo fotón.

Un solo fotón por fin

Lo que hicieron Hong y Mandel es conceptualmente mucho más sencillo: en su montaje, colocaron un único fotodetector B en la ruta Q. Entonces, cuando A se dispara, abre una puerta en B durante 20 ns. Luego cuentan el número $m$ de golpes en B mientras la puerta está abierta. Después de muchas repeticiones, obtienen una distribución para $m$ . Siendo la eficiencia del fotodetector B pequeña, para la mayoría de las compuertas, $m=0$ . Entonces $m>2$ es casi cero. Con el número de veces $m=1$ se obtuvo, pudieron entonces trabajar hacia atrás cuál era el número de fotones que golpeaban a B cuando A se dispara. Su resultado fue: $1.06\pm10\%$ ¡! Su ventaja sobre Grangier et al era que los dos fotones de cada par se emitían en menos de 100 picosegundos, es decir, un factor 10 mejor (lo midieron en otro experimento).

Dónde ir ahora

Básicamente sólo he respondido a tu segunda pregunta sobre cómo asegurarnos de que tenemos fotones individuales. He respondido parcialmente a su primera pregunta, ya que la heralización puede utilizarse en la práctica para producir fotones únicos, como se ha explicado. Pero desde los años 80, han surgido varias técnicas nuevas para producir fotones a la carta, de forma muy esquemática, al impedir que la fuente emita hasta que se realice alguna acción sobre ella. Hay toda una serie de métodos, basados en átomos, iones o moléculas individuales, en los llamados puntos cuánticos en los llamados centros de color (en el diamante), etc. Una revisión completa, reciente y relativamente pedestre del campo puede encontrarse en [EFMP11], y voy a señalar perezosamente a los lectores, ¡dejando caer descaradamente la pelota aquí!

[Clau74] John F. Clauser. Distinción experimental entre las predicciones cuánticas y clásicas de la teoría del campo para el efecto fotoeléctrico. Phys. Rev. D , 9 :853-860, Feb 1974 .

[KDM77] H. J. Kimble, M. Dagenais y L. Mandel. Photon antibunching in resonance fluorescence. Phys. Rev. Lett. , 39 :691-695, septiembre de 1977 , autor eprint .

[HM86] C. K. Hong y L. Mandel. Realización experimental de un estado localizado de un fotón. Phys. Rev. Lett. , 56 :58-60, enero de 1986 .

[GRA86] P. Grangier, G. Roger y A. Aspect. Evidencia experimental de un efecto de anticorrelación de fotones en un divisor de haz: Una nueva luz sobre las interferencias monofotónicas. Europhys. Lett. , 1 (4):173, 1986 , autor eprint .

[EFMP11] M. D. Eisaman, J. Fan, A. Migdall y S. V. Polyakov. Artículo de revisión invitado: Single-photon sources and detectors. Rev. Sci. Instrum. , 82 (7):071101, 2011 , NIST eprint .

Answer 2

Obsérvese que en la pregunta planteada se pedía el creación de fotones individuales, no por su destrucción . Por lo tanto, las discusiones sobre la detección de fotones son irrelevantes para la pregunta formulada.

Hay dos tipos de fotones individuales producidos en el laboratorio: "fotones a la carta" (véase, por ejemplo, la sección 2.13 de http://lanl.arxiv.org/pdf/0810.1019v2 ) - que son realmente únicos, y los "fotones anunciados" (véase, por ejemplo, https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0408093 ) - pares de fotones entrelazados de los que se detecta uno de los socios, de modo que se sabe (después del tiempo de detección) que el otro socio es ahora único. Hay muchos artículos en los que se discuten los detalles; las dos referencias citadas son sólo la punta de un iceberg. Busque en Google los términos entrecomillados para encontrar muchas más referencias....

Answer 3

Este experimento de la doble rendija utiliza fotones individuales.

En 2003, A. Weis y R. Wynands, de la Universidad de Bonn (Alemania), diseñaron un experimento de demostración de la interferencia de un solo fotón en una doble rendija. La luz de un puntero láser se atenuó tan fuertemente que en cada instante sólo había un único fotón entre la doble rendija y el detector. La luz difractada fue registrada por una cámara de imagen de fotón único que consistía en un intensificador de imagen (placa multicanal, MCP) seguido de una pantalla de fósforo y una cámara CCD. Al sumar fotogramas consecutivos de la cámara se observa la aparición gradual del patrón de interferencia clásico suave

Cada punto es la huella de un solo fotón. El área cubierta por la huella es mucho menor que el área del rayo láser que pasa a través de las dos rendijas,(que caracteriza al rayo láser clásico,) como se ve por su propagación. Es la huella que se espera que deje una partícula clásica en un plano interactivo. Esto muestra claramente el lado de la partícula de la entidad mecánica cuántica llamada "fotón" El patrón de interferencia acumulado es la distribución de probabilidad mecánica cuántica de detección, así como el patrón de interferencia clásico de un rayo láser.

Este vídeo también es instructivo]. 3

Usted pregunta:

¿Cómo se puede asegurar que se ha creado realmente un solo fotón? Excluyendo otras posibilidades de las que podría proceder la señal, y repitiendo el experimento hasta encontrar los parámetros óptimos. En el experimento anterior, reduciendo lentamente la intensidad del rayo láser a "sin señal", a "un solo golpe".

Editar después de leer las discusiones :

Lo que nadie ha mencionado son los fotones de alta energía. Para su detección y medición de la energía y dirección grandes y sofisticados calorímetros electromagnéticos captan pistas que interactúan en el detector e irradian mucha energía electromagnética, como electrones y fotones. Aquí hay dos fotones, como en este Reconstrucción de la CMS de eventos a partir de mediciones en el detector .

Evento candidato de Higgs a gamma.

Estos son los dos histogramas verdes tras una línea de puntos extrapolada conectada al vértice del evento. Se identifican como fotones porque no hay señal en los detectores de seguimiento , y de repente la energía electromagnética se deposita en el calorímetro electromagnético.

Answer 4

Al haber construido detectores de Cherenkov, he tenido experiencia con fotones individuales: por ejemplo, una mínima partícula ionizante en el aire producirá unos pocos fotones por metro debido al centelleo. Un solo fotón se detecta entonces en el tubo fotomultiplicador del Cherenkov como ruido de fondo.