Photonenfeld

Photonenfeld bezeichnet in der Quantenphysik den quantisierten Bestandteil des elektromagnetischen Feldes. In der Quanten-Elektrodynamik wird das elektromagnetische Feld als Operator behandelt, dessen Anregungen in diskreten Quanten auftreten: Photonen. Damit sind Photonen die Quanten des Feldes, und das Feld lässt sich in Normalmoden zerlegen, die durch Frequenz und Richtung bestimmt sind.

Im freien Raum verhält sich jede Modus wie ein harmonischer Oszillator. Die Energie pro Modus beträgt (n_k + 1/2) ħ ω_k, wobei n_k die Anzahl der Photonen in diesem Modus ist. Die Feldoperatoren E und B können als Summe der Moden ausgedrückt werden. Die Quantisierung erfolgt oft unter Wahl eines Gauges, etwa des Coulomb- oder Lorenz-Gauges; es bleiben zwei physikalische Transversalpolarisationen übrig. Photonen tragen Energie, Impuls und Spin (massenloses Spin-1-Boson) und bewegen sich mit der Lichtgeschwindigkeit.

Photonen interagieren mit Materie, beschrieben durch die Quantenelektrodynamik. Direkte Photon-Photon-Wechselwirkungen erscheinen erst in höheren Ordnung der QED, weshalb Photonen typischerweise über gekoppelte Prozesse mit geladenen Teilchen wirken. Typische Phänomene sind spontane Emission, stimulierte Emission und Streuung, zentrale Konzepte der Quantenoptik.

Anwendungen reichen von Laserphysik und Spektroskopie bis hin zu Quantum-Information-Ansätzen, Quantenkommunikation und Detektion von Lichtquellen. Das Konzept des Photonenfeldes verbindet Feldquantisierung, Quanten-Superposition und Kohärenz und bildet die Grundlage für das Verständnis der elektromagnetischen Wechselwirkung in der Quantenwelt.