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0427. Luce polarizzata e spin dei fotoni

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Buongiorno, vorrei sapere se c'è una correlazione (e, nel caso, quale sia) tra polarizzazione di un fascio di luce e spin dei fotoni. Inoltre, così come ci sono filtri per la luce polarizzata e rotatori di polarizzazione, esistono anche filtri e rotatori per lo spin dei fotoni?

da Max Pierini

 


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erageologica3Da un punto di vista classico, la luce è un'onda che si propaga nello spazio icona_esperto, trasportando con sé un campo elettromagnetico. Una delle proprietà della luce è la cosiddetta polarizzazione. Essa si definisce considerando i campi elettrico e magnetico che l'onda luminosa trasporta con sé, che varieranno (oscilleranno) lungo un piano ortogonale alla direzione di propagazione dell'onda stessa icona_esperto[369].

La polarizzazione coincide con la direzione lungo cui oscilla il campo elettrico icona_esperto[156]. I filtri che si utilizzano per selezionare o deselezionare specifiche polarizzazioni si basano su sistemi che smorzano l'oscillazione del campo lungo le direzioni di interesse. Da un punto di vista quantistico la descrizione della luce - e, più in generale, della radiazione elettromagnetica - è differente.

Essa risulta infatti composta da particelle elementari, i fotoni, che veicolano l'interazione elettromagnetica stessa e che sono caratterizzate da specifiche proprietà quanto-meccaniche. Una di tali proprietà è lo spin icona_esperto[400]. Esso rappresenta una caratteristica intrinseca della particella stessa, ed è uno degli elementi che maggiormente influenzano il comportamento dei sistemi quantistici (è lo spin, ad esempio, a determinare la struttura della tavola periodica, attraverso il principio di esclusione di Pauli) icona_esperto[200].

Sebbene ci siano delle analogie tra le proprietà classiche e quelle quantistiche della luce, e sia possibile connettere tra loro alcune caratteristiche proprie delle due descrizioni (ad esempio, la frequenza di oscillazione del campo elettromagnetico classico viene connessa con l'energia dei fotoni nel caso quantistico), con lo spin tale connessione non è possibile, data la natura puramente quantistica di esso.

Negli esperimenti di fisica delle particelle icona_esperto , tuttavia, si sente spesso parlare di polarizzazione dei fasci. In questo caso, la polarizzazione si riferisce all'orientazione dello spin della particella rispetto alla direzione lungo cui essa si propaga, e i valori possibili per tale polarizzazione dipendono dal tipo di particella considerato. Sebbene quindi lo spin non abbia un analogo classico, è comunque possibile connettere la polarizzazione di un'onda elettromagnetica con la direzione dello spin dei fotoni che la costituiscono. In particolare, il valore della polarizzazione osservata sperimentalmente è connesso al valor medio degli spin che costituiscono il fascio di interesse. In altre parole, se da una parte non è possibile connettere il valore della polarizzazione allo spin del singolo fotone icona_glossario , esso può essere connesso alla media – in meccanica quantistica "valore di aspettazione" – degli spin sull'intero fascio.

Per quanto riguarda l'esistenza di filtri di polarizzazione, un esempio è dato da quelli che si utilizzano per produrre fasci di fotoni polarizzati linearmente o circolarmente. A tal fine si parte da un fascio di elettroni polarizzati longitudinalmente – ovvero con uno spin parallelo o antiparallelo alla direzione di propagazione – che si fa transitare attraverso opportuni radiatori, le cui caratteristiche strutturali selezionano lo stato di polarizzazione dei fotoni uscenti. Ad esempio, il passaggio attraverso un diamante di uno spessore di pochi micron (milionesimi di metro) è in grado di produrre per Bremsstrahlung (la radiazione che viene emessa quando una particella carica subisce un'accelerazione) un fascio di fotoni polarizzati linearmente. Il meccanismo alla base di questa produzione è dettato da uno scambio discreto di energia tra gli elettroni che attraversano il diamante e la struttura reticolare di quest'ultimo, che genera l'emissione da parte degli elettroni stessi di fotoni polarizzati in una determinata direzione. Scegliendo opportunamente l'orientazione del diamante rispetto al fascio di elettroni incidenti è possibile controllare la polarizzazione lineare del fascio di fotoni uscenti. 

 

Silvia Pisano, fisico

 


 

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ultimo aggiornamento febbraio 2015



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