¿Un fotón siempre está polarizado de forma circular?

Question

Mientras trataba de entender la polarización en la teoría cuántica de campos, me preguntaba cómo un solo fotón podía atravesar un polarizador lineal. Encontré un artículo que planteaba la pregunta "¿Un solo fotón siempre está polarizado circularmente?"

Este artículo propone un experimento para determinar si un fotón único puede ser polarizado linealmente, o si solo pares de fotones pueden ser polarizados linealmente. Sugiere que puede haber consecuencias no triviales en todos los experimentos de Bell con un "fotón único polarizado linealmente" (porque tal cosa podría no existir).

El artículo es de 2014 y el experimento parece sencillo si se cuenta con el equipo adecuado, ¿tenemos ya el resultado del experimento?

Answer 1

Para un solo fotón, la única pregunta físicamente significativa similar es si la polarización circular es izquierda o derecha. La mecánica cuántica puede predecir las probabilidades de estas dos respuestas. Un experimento, una medición de L/R, también produce una de estas respuestas. Después de la medición, el fotón está polarizado circularmente ya sea a izquierda o a derecha.

Si un fotón está preparado en un estado general, tiene probabilidades no nulas tanto para L como para R. En tal "superposición", quizás podemos decir que el único fotón no tiene polarización circular. Esta afirmación significa que no estamos seguros de cuál de las polarizaciones se medirá si se mide. Pero cuando se mide la polarización circular, siempre se obtiene una respuesta, de acuerdo con el resultado de la medición.

Las polarizaciones lineales son las superposiciones no triviales más simples de L y R. El valor absoluto de ambos coeficientes, $c_L$ y $c_R$, es el mismo, mientras que la fase relativa codifica el eje en el que el fotón está polarizado.

El documento citado en la pregunta está completamente equivocado. Un ejemplo de una afirmación muy equivocada es que el fotón polarizado linealmente que se mueve en la dirección $z^+$ lleva $J_z=0\cdot\hbar$. En realidad, un fotón polarizado linealmente o cualquier fotón no tiene $J_z=0\cdot\hbar$. Un fotón polarizado linealmente tiene una probabilidad del 50% de ser $J_z=+1\cdot\hbar$ y un 50% de tener $J_z=-1\cdot\hbar$. El valor esperado $\langle J_z\rangle = 0$ pero sigue siendo cierto que el valor $J_z=0\cdot\hbar$ está prohibido.

Una pregunta diferente es la polarización de una onda electromagnética. Para una onda, por ejemplo, la luz, uno puede distinguir entre polarizaciones izquierda-derecha y derecha e $x$-lineal e $y$-lineal y polarizaciones elípticas de todo tipo en las que uno pueda pensar. En términos de fotones, una onda electromagnética macroscópica es el producto tensorial de muchos fotones. Si todos estos factores tensores están polarizados linealmente (o circularmente), entonces la onda puede decirse que está polarizada linealmente (o circularmente). Debido a que la polarización de toda la onda requiere cierta correlación en el estado de los fotones individuales, una onda puede medirse como no polarizada circularmente en ninguna dirección. Pero un fotón individual está siempre circularmente polarizado en una de las direcciones cuando se mide la respuesta a esta pregunta.

El documento puede presentar experimentos propuestos que se pueden realizar, pero lo que es completamente inválido es la interpretación del autor de este experimento, incluso las "posibles interpretaciones" antes de que el experimento se realice realmente. La descripción correcta por parte de la mecánica cuántica no está incluida entre las teorías candidatas con las que desean describir el experimento.

Answer 2

Respondiendo mi propia pregunta para cerrar un debate demasiado largo que se calentó demasiado en mi opinión.

Para resumir:

Según la física mainstream, la mecánica cuántica: No, un solo fotón no siempre está polarizado circularmente. Consulta la buena respuesta de Lubos si quieres más detalles.

El artículo es ciencia no ortodoxa, ya que propone una prueba para falsificar la mecánica cuántica.

Un pequeño consejo para cualquier principiante en el campo como yo, ten en cuenta que debido a que ha habido muchos intentos fallidos de falsificar la MQ en el pasado, cualquier mención de cualquier nuevo experimento para falsificar y serás visto como un loco.

Una pequeña broma de profecía autocumplida de la MQ para terminar con un tono más ligero: "Obviamente, porque vivimos en un mundo de MQ, cualquier experimento que falsifique la MQ no puede suceder" :)

Answer 3

En el nivel cuántico-mecánico este artículo respalda la respuesta de Luboš Motl de que un solo fotón, independientemente de la longitud de onda y la energía, siempre está polarizado circularmente, ya sea en la dirección de las agujas del reloj o en sentido contrario cuando se mide.

La pregunta, que se basa en la fase, fue marcada como respondida hace muchos años, sin embargo, el debate continúa sobre cómo se ve realmente un solo fotón "en vuelo", es decir, antes de ser medido. La paradoja es que la medición colapsa la función de onda. Tratando de trabajar alrededor de esta paradoja, Radosław Chrapkiewicz y otros publicaron "Hologram of a single photon" en Nature en julio de 2016, la versión de pre-publicación (gratuita) aquí.

Los autores comienzan su artículo reconociendo lo desafiante que es recuperar información que caracteriza un fotón debido a la "fase global completamente indeterminada derivada de la perfecta simetría rotacional de sus funciones de Wigner en el espacio de fases."

Diseñaron un experimento para medir la información de más de 2000 fotones individuales que llegaron con el tiempo, donde cada fotón detectado era uno de un par de fotones entrelazados en polarización. Los resultados acumulados construyeron un holograma que según ellos representa más de cerca a un solo fotón:

Al menos, la representación holográfica de un solo fotón se suma a las ilustraciones comúnmente vistas de la luz-también utilizadas a veces para representar un solo fotón- que datan de la era de James Clerk Maxwell y todavía se usan ampliamente hoy en día, y que algunos encuentran confusas e intuitivas:

Incluso si funciona para una superposición de al menos dos fotones, es mucho menos claro cómo podría representar a un solo fotón ya que se parece más a una onda estacionaria que a una onda viajera. Para los lectores que se preguntan cómo ambos campos eléctricos y magnéticos de una onda viajera pueden ser simultáneamente cero para varios fotones vean esta pregunta y sus respuestas.

Dado que los lectores de esta pregunta están más interesados en la representación de fotones individuales, la siguiente ilustración helicoidal (o su espejo) es, según el primer artículo referenciado, una representación más útil de un fotón individual:

Las representaciones de un solo fotón, si la vista de "siempre polarizado circularmente" es la correcta, revelan que las proyecciones en cada plano se dibujarían de manera más precisa si estuvieran desplazadas 1/4 de longitud de onda una de la otra:

Sin embargo, si se aplica a fotones individuales, todos los dibujos implican una longitud infinita para los fotones individuales, lo cual no es respaldado por experimentos, recordándonos que todas las ilustraciones tienen limitaciones.

Este artículo afirma que el debate se inclina en la dirección opuesta, que los experimentos prueban que los fotones individuales pueden ser absolutamente polarizados linealmente.

@darkblue aceptó una respuesta "no" hace casi 7 años, sin embargo, parece más probable que el debate continuará, y con suerte agregar nuevos resultados experimentales ayudará a proporcionar un contexto equilibrado a los futuros preguntadores de la misma pregunta.

Answer 4

Existe un gran malentendido sobre cuál es el spin de un fotón. El campo B y E de pie ortogonal podría tener una orientación de mano izquierda o una orientación de mano derecha (ver última página en esta elaboración).

Para los polarizadores, es importante solamente cómo está orientado el campo E de los fotones hacia las rendijas, en el caso de fotones de 0° y 180° de ambas orientaciones de spin atraviesan. (Y los polarizadores diseñados artísticamente giran los fotones con +/- 45° a las orientaciones mencionadas anteriormente, de modo que se obtiene una transmitividad del 50%.)

Para los fotones que pasan a través del calcita birrefringente, la orientación de spin juega un gran papel. La calcita separa las dos orientaciones de spin. Esto es claro porque incluso la luz polarizada se dividirá en dos haces.

La luz orientada circularmente tiene un momento rotacional desde la fuente que la emite. Los campos E y B rotan juntos. Por supuesto, uno podría sentirse libre de representar la luz polarizada lineal como una superposición de un estado de rotación en el sentido de las agujas del reloj y un estado de rotación en sentido contrario a las agujas del reloj. Pero esta matemática se puede hacer con el estado de un balón de fútbol también.