Polcela vrtilna količina fotona

Irski fiziki so izmerili polcelo vrtilno količino fotonov. V posebni konfiguraciji prizem in zrcal so snop zavrteli tako, da se je lahko vrtel na več načinov, kot bi pričakovali. Gre za lastnost fotonov, drugačno od do sedaj poznanega celoštevilskega spina.

Za ilustracijo dveh vrst vrtenja fizikalnih osnovnih delcev, na primer elektronov in fotonov, vzemimo primer kroženja Zemlje okrog Sonca. Zemlja po eni strani v enem letu prepotuje svojo orbito okrog Sonca. Zaradi tega vrtenja ima orbitalno vrtilno količino. Poleg tega pa se vsak dan zavrti tudi okrog svoje osi. Vrtilni količini tega vrtenja lahko rečemo spin.

Tudi elektron si lahko, čeprav napačno, poenostavljeno predstavljamo kot kroglico, ki kroži okrog večje krogle, jedra atoma. V tem primeru si skušajmo zamisliti tudi njegova orbitalno vrtilno količino in spin. Vendar pa se vsota teh dveh vrtilnih količin lahko povečuje le v korakih točno določene velikosti.

Rečemo, da je skupna vrtilna količina elektrona kvantizirana. Natančneje lahko zasede le večkratnike polovičke Planckove konstante. Ker se Planckova konstanta tako pogosto pojavlja v enačbah kvantne fizike, jo je smiselno vzeti za naravno enoto vrtenja. Tako bi lahko ugotovili, da skupna vrtilna količina znaša tri polovice ali pa dvakratnik Planckove konstante.

Če bi si torej fotone predstavljali kot majhne kroglice, bi s tem naredili še večjo napako kot pri elektronih. Ker so fotoni (najmanjši paketi svetlobe) brez mase, imajo drugačne lastnosti. Ena izmed razlik z elektroni je, da lahko njihov spin zasede le cele večkratnike Planckove konstante, ne pa tudi polovičnih vrednosti.

Spin fotonov je povezan z njihovo polarizacijo. V vsakdanji rabi je izraz povezan s polarizacijskimi očali, ki lahko filtrirajo del svetlobe. Svetloba je namreč elektromagnetno valovanje, pri katerem lahko električno in magnetno polje nihata v različnih smereh. Skozi polarizacijska očala in podobne naprave lahko prepustimo le svetlobo, v kateri električno polje niha na določen način. Z drugimi besedami, izberemo le svetlobo z določeno polarizacijo.

Ena izmed možnih polarizacij svetlobe je krožna polarizacija. Če si v mislih narišemo puščico, ki vedno kaže v smer električnega polja svetlobe, se bo ta puščica vrtela okrog osi potovanja svetlobnega žarka. To pa nas morda spomni na prej omenjeno vrtenje Zemlje okrog svoje osi, tako da lahko krožno polarizacijo imenujemo kar spin fotona.

Avtorji članka so poleg spina izzvali še eno vrtenje svetlobe. Laserski žarek so najprej izdolbli, tako da je postal votel. Nato so votli valj svetlobe vrteli okrog osi potovanja laserskega žarka.

Na ta način so opazovali dve vrsti vrtenja fotonov. Po eni strani se je ves votli laserski snop lahko zavrtel okrog svoje osi. Po drugi strani so lahko spreminjali polarizacijo svetlobe oziroma spin fotonov. Zanimala pa jih je vsota vrtilnih količin, povezanih z dvema vrstama vrtenja, skupna vrtilna količina.

Ugotovili so, da se skupna vrtilna količina svetlobe ne spreminja le v korakih večkratnika Planckove konstante. Spin fotona še vedno lahko zasede le celoštevilske vrednosti, skupna vrtilna količina pa lahko zavzame tudi večkratnike polovičke Planckove konstante.

Uporabnost tega odkritja še ni jasna. A rezultat je zanimiv, saj fotone sicer prištevamo med delce s celoštevilskim spinom. Omenjanje polcele skupne vrtilne količine fotona je tako nenavadno.

Samo napol zmeden je pisal Junoš.