Cómo dispara la fuente de luz un solo fotón en el experimento de la doble rendija

Question

Todos los vídeos de youtube que he visto sobre el experimento de la doble hendidura caen a grandes rasgos en una de las tres categorías siguientes:

• Documentales y vídeos hechos por fans con mucha animación que "admiran" la dualidad onda-partícula de la luz en lugar de "explicarla".
• Clases universitarias en las que los profesores dibujan diagramas en la pizarra y entran en las matemáticas (por ejemplo, cómo calcular la distancia entre dos bandas brillantes) pero nunca explican cómo se construye el aparato real.
• Vídeos de bricolaje sobre cómo hacer el experimento con luz solar o láser, pero parecen omitir la parte más crítica, ¿cómo hacer que la fuente de luz sea tan débil que sólo se emita un fotón a la vez?

Según tengo entendido, la teoría ondulatoria clásica de la luz no explica la interferencia sólo cuando se hace el experimento con un fotón a la vez. Mi pregunta aquí es, ¿cómo haces que la fuente de luz dispare una sola partícula de luz a la vez cuando estás tratando de determinar si la luz está hecha de partículas o no en primer lugar? Me interesa más la ingeniería del aparato que la explicación matemática.

Una pregunta posterior podría ser, ¿cómo se puede estar seguro de que efectivamente sólo sale un fotón de la fuente a la vez? (No es lo mismo que un solo fotón golpee la pantalla a la vez que un solo fotón salga de la fuente a la vez, especialmente dada la extraña dualidad onda-partícula).

Answer 1

Un haz de luz no es como un enjambre de fotones que vuelan por el espacio: la relación entre los haces de luz y los fotones es bastante más complicada que eso. Esto se discute en ¿Cuál es la relación entre la onda electromagnética y el fotón? aunque una discusión adecuada requiere profundizar en el tema de la óptica cuántica que muchos consideramos sana.

En cualquier caso, el fotón es básicamente la unidad de intercambio de energía con el haz de luz, es decir, si la potencia del haz de luz es $W$ julios por segundo, entonces el número de fotones emitidos por segundo es esta potencia dividida por la energía por fotón:

$$ N = \frac{W}{h\nu} $$

El tiempo de viaje de la luz es $\tau = \ell/c$ , donde $\ell$ es la longitud del haz de luz en su experimento, por lo que para tener un solo fotón a la vez necesita que el número de fotones por segundo sea del orden de $1/\tau$ .

$$ N = \frac{W}{h\nu} = \frac{c}{\ell} $$

Y resolver el poder da:

$$ W = \frac{h\nu c}{\ell} $$

Así que eso es todo lo que tienes que hacer. Haz que la potencia de tu haz de luz sea igual o menor que $W$ calculado como en el caso anterior y sólo tendrás un fotón presente a la vez.

Answer 2

Puede utilizar un fuente de un solo fotón de tal manera que sólo hay un fotón en el sistema en cualquier momento. Se trata de emisores de fotones individuales desde el punto de vista de la mecánica cuántica, a diferencia de la reducción de la intensidad de una fuente que emite fotones al azar.

Un ejemplo práctico es el centro de vacancia de nitrógeno en el diamante . Un solo centro NV sólo tiene una excitación y, por tanto, sólo puede emitir un único fotón cada vez que se excita.

Debido a que el experimento es tan ineficiente (muy pocos fotones llegan a atravesar las rendijas), encontrar un buen artículo que lo demuestre directamente es complicado. Sin embargo, hay muchos experimentos similares que utilizan estas fuentes (ejemplo) para los experimentos de dualidad.

Answer 3

Se sigue reduciendo la energía de la fuente hasta que el número de fotones que impactan en la pantalla es lo suficientemente pequeño como para contarlos de uno en uno. Para mí, la forma más fácil de hacer un experimento con la rendija es con cuerdas de guitarra y un láser. Es muy fácil si diriges un láser a una cuerda. Esa es la forma en que Young lo hizo la primera vez cuando utilizó un solo cabello humano. La luz envolverá los bordes de la cuerda y hará un patrón de franjas en la pared distante.