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光子自旋、轨道角动量描述是否完备?

 物理网文 2015-03-10


我们知道光子携带自旋(spin)角动量,+1/-1为两自由度;后来有认识到其可以携带轨道(orbital)角动量,为任意整数,可以是无穷维希尔伯特空间,其坡印廷矢量为螺旋状。

起初我觉得可以向实数到复数空间那样做扩展,分解螺旋适量、或者数将spin和orbital写成直积形式。

但是现在看来有问题,因为spin和orbital无法简单分离,圆偏振的spin经过聚焦后,在焦点附近变为涡旋光(携带OAM),就是说spin和orbital可以转化。更纠结的是spin只有两自由度+1/-1,而OAM可以是任意正负整数(也可以是分数,看成叠加态)。转化是如何对应???如果高阶orbital转为spin,是否意味着spin不止为+1/-1???我们没有认识到?

同时以上的转换也意味着spin和orbital两空间是相互关联的,所以不可作为直积处理。如果我们将spin看为自转,orbital就是公转,这里还涉及各自的对称轴,其各自关于自己的对称轴角动量守恒,两种角转化也说明这两个空间关联。那么如何找到完备的角动量本征空间?或者说这样令人困惑的局面说明还有更高层次的空间我们没有发现?

还有,我最近实验证实光子OAM极易通过光与物质作用传递给介质,而spin角动量却不这样,这又说明什么?


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