論文の概要: Spin and Orbital Angular Momentum of Coherent Photons in a Waveguide
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2303.17129v1
- Date: Thu, 30 Mar 2023 03:24:18 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-31 14:36:12.178016
- Title: Spin and Orbital Angular Momentum of Coherent Photons in a Waveguide
- Title（参考訳）: 導波路におけるコヒーレント光子のスピンと軌道角運動量
- Authors: Shinichi Saito
- Abstract要約: 我々は、光子のスピンと軌道角運動量は、ゲージ不変な方法で全軌道角運動量から分割できないことを示した。
コヒーレント状態を用いた標準量子場理論の適用により、スピンおよび軌道角運動量作用素のゲージ非依存の式を得た。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Spin angular momentum of a photon corresponds to a polarisation degree of
freedom of lights, and such that various polarisation properties are coming
from macroscopic manifestation of quantum-mechanical properties of lights. An
orbital degree of freedom of lights is also manipulated to form a vortex of
lights with orbital angular momentum, which is also quantised. However, it is
considered that spin and orbital angular momentum of a photon cannot be split
from the total orbital angular momentum in a gauge-invariant way. Here, we
revisit this issue for a coherent monochromatic ray from a laser source,
propagating in a waveguide. We obtained the helical components of spin and
orbital angular momentum by the correspondence with the classical Ponyting
vector. By applying a standard quantum field theory using a coherent state, we
obtained the gauge-independent expressions of spin and orbital angular momentum
operators. During the derivations, it was essential to take a finite
cross-sectional area into account, which leads the finite longitudinal
component along the direction of the propagation, which allows the splitting.
Therefore, the finite mode profile was responsible to justify the splitting,
which was not possible as far as we are using plane-wave expansions in a
standard theory of quantum-electrodynamics (QED). Our results suggest spin and
orbital angular momentum are well-defined quantum-mechanical freedoms at least
for coherent photons propagating in a waveguide and in a vacuum with a finite
mode profile.
- Abstract（参考訳）: 光子のスピン角運動量は光の自由度に対応しており、様々な偏光特性は光の量子力学的性質のマクロ的な表現から来ている。
光の軌道自由度は、軌道角運動量を持つ光の渦を形成するためにも操作され、これも量子化される。
しかし、光子のスピンと軌道角運動量はゲージ不変な方法で全軌道角運動量から分離することはできないと考えられている。
ここで、この問題をレーザー源からのコヒーレント単色線で再検討し、導波路で伝播する。
スピンおよび軌道角運動量のヘリカル成分は古典ポニーティングベクトルとの対応によって得られる。
コヒーレント状態を用いた標準量子場理論の適用により、スピンおよび軌道角運動量作用素のゲージ非依存の式を得た。
導出の過程では、有限断面領域を考慮に入れることが不可欠であり、これは伝播の方向に沿って有限長周期成分を導き、分裂を許容する。
したがって、有限モードプロファイルは分割の正当化に責任を持ち、量子電気力学(qed)の標準理論において平面波展開を用いる限り不可能であった。
以上の結果は、少なくとも導波路および有限モードプロファイルの真空中で伝播するコヒーレント光子の量子力学的自由度は、スピンおよび軌道角運動量は明確に定義されていることを示唆している。
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