Los momentos del fotón

Por Jesús Siqueiros Beltrones*

Este artículo es para informar que el momento angular del fotón puede ser semientero.

Recordemos qué es el fotón. Lo podemos expresar de diferentes maneras, desde la forma clásica de decir que es un cuanto (paquete) de radiación electromagnética o la más elaborada, actualizada y precisa, en donde representamos al campo electromagnético como un campo de fotones que equivale a de decir que el fotón es el mandadero, el correvedile, el informante, el intermediario entre partículas cargadas. 

Su comportamiento está reglamentado por la teoría especial de la relatividad (TER) por un lado y por la mecánica cuántica (MC) por otro.

La TER define al fotón como una partícula con masa cero en reposo con una energía Efotón=hv donde h es la constante de Planck (= 6.62607004 x10 -34 m2kg/s) y v la frecuencia a la que oscila el campo al que pertenece. 

La TER también nos dice que la velocidad de fotón en vacío c (3x108 m/s, aproximadamente) es la velocidad límite en nuestro universo: ¡nada puede viajar a mayor velocidad. 

La MC nos dice, al igual que la TER, que la energía del fotón es Efotón=hv y se demuestra a través del efecto fotoeléctrico explicado por Einstein. Nos dice también que el intercambio energético entre fotones en un sistema atómico sucede mediante absorción o emisión de paquetes completos de energía electromagnética (fotones), no 1/2 , o 1/3 de paquete; tiene que ser el paquete completo.
Todas las partículas que constituyen el universo tienen una propiedad que explica la MC. Se llama espín y se le considera como un momento angular intrínseco de las partículas y sólo se puede tener valores enteros o semienteros medidos en múltiplos de la constante reducida de Planck n (=h/2?).

Valores semienteros  
Todo esto nos lleva al fenómeno que motiva este artículo: fotones con momento angular semientero, aunque todo físico sabe que el momento angular de un fotón es entero.

El momento angular se presenta en dos variedades: espín y orbital. El espín está asociado a la polarización óptica y el orbital a una rotación del frente de onda del haz de luz alrededor de su dirección de propagación. 

Hasta ahora, los físicos habían considerado que el momento angular total del fotón debería de ser siempre un número entero de veces n., sin embargo, en una investigación reciente, Paul Eastham (Trinity College de Dublin) y colaboradores, han demostrado que el momento angular total puede tomar valores semienteros. 

La explicación es la siguiente. Las ecuaciones de Maxwell, que describen el comportamiento del campo electromagnético (como la luz) requieren de la existencia de simetría rotacional en tres dimensiones para la suma del momento angular del fotón. Como la simetría de un haz en un cristal baxial está limitada a una rotación alrededor de su eje de propagación, la condición para que esto suceda es que los fotones del haz tengan un momento angular semientero.

Para probar experimentalmente esta afirmación se utilizó luz láser polarizada como fuente de fotones, un cristal baxial, un interferómetro y un detector.

Al girar las componentes orbitales y de espín del momento angular de 180º y 90º respectivamente, fue posible separar los fotones en dos grupos: unos con valor +n/2 y otros –n/2. Lo cual fue comprobado con el concepto de “ruido de disparo”. Así quedó demostrado que los fotones pueden tener momento angular semientero y esto, es una gran noticia. 

*CNyN UNAM, campus Ensenada, Centro de Nanociencias y Nanotecnología, UNAM Campus Ensenada.