פוטון

אטימולוגיה

במאמרו המקורי מ-1905 נתן אלברט איינשטיין לפוטון את השם "קוונט האור" (בגרמנית: "das Lichtquant"). מקור השם המודרני "פוטון" במילה היוונית "פוס" (אור). השם נטבע ב-1926 על ידי הכימאי גילברט ניוטון לואיס, שפרסם תאוריה ספקולטיבית שבה פוטונים היו בלתי ניתנים ליצירה או להשמדה התאוריה של לואיס לא התקבלה, מאחר שהיא נסתרה על ידי ניסויים רבים, אך השם החדש "פוטון" אומץ מיד על ידי רוב הפיזיקאים. דעה אחרת מוצגת בספרו של אייזק אסימוב "הנייטרינו, חלקיק הרפאים של האטום" (1966). אסימוב זוקף לזכותו של ארתור קומפטון את הגדרת קוונט האור כפוטון ב-1927.
בפיזיקה, הפוטון מסומן בדרך-כלל עם האות היוונית גמא, γ. מקור הסמל, ככל הנראה, בקרינת גמא. קרניים אלה נתגלו ב-1900 על ידי פול אולריך וילארד. ב-1914 הראו ארנסט רתרפורד ואדוארד אנדרד שהן למעשה קרינה אלקטרומגנטית. בכימיה ובהנדסה אופטית, פוטונים וקרינה אלקטרומגנטית מסומנים פעמים רבות hν.

היסטוריה

רוב תאוריות האור עד המאה ה-18 תיארו את האור כעשוי מחלקיקים. אחת מהתאוריות החלקיקיות המוקדמות ביותר נוסחה על ידי אבן אל-היית'ם בספרו "ספר האופטיקה" מ-1021. קרני האור תוארו שם כזרמי חלקיקים זערוריים "חסרי תכונות מוחשיות למעט אנרגיה". מאחר שהמודלים החלקיקיים של האור אינם מסבירים בקלות תופעות כגון שבירה, עקיפה ושבירה כפולה, הוצעו מאוחר יותר תאוריות גליות על ידי רנה דקארט (1637), רוברט הוק (1665) וכריסטיאן הויגנס (1678); למרות זאת, המודלים החלקיקיים נותרו דומיננטיים, בעיקר עקב השפעתו של אייזק ניוטון. בתחילת המאה ה-19, הראו תומאס יאנג ואוגוסטן פרנל כי האור מקיים תופעות התאבכות ועקיפה, ועד 1850 המודלים הגליים כבר היו מקובלים על רוב המדענים. ב-1865 שיער ג'יימס קלרק מקסוול, באמצעות המשוואות שפיתח, כי האור הוא גל אלקטרומגנטי, והשערה זו אושרה כשהיינריך הרץ גילה את גלי הרדיו. התגלית נדמתה כסותמת את הגולל על המודלים החלקיקיים של האור.
למרות האמור לעיל, תאוריית הגלים של מקסוול לא הסבירה את כל תכונות האור. תאוריית מקסוול גורסת כי אנרגיית הגל תלויה אך ורק בעוצמתו, ולא בתדירותו; אף על פי כן, מספר ניסויים בלתי תלויים הראו כי האנרגיה שהאור מעניק לאטומים כן תלויה בתדירות שלו, ולא בעוצמה. לדוגמה, חלק מהתגובות הכימיות נגרמות רק על ידי אור שתדירותו גבוהה מערך סף מסוים; אור בתדירות נמוכה מהסף, ללא תלות בעוצמתו, לא יגרום לתגובה. באותו אופן, ניתן לקרוע אלקטרונים ממשטח מתכתי על ידי הארתו בתדירות גבוהה מספיק; זהו האפקט הפוטואלקטרי. אנרגיית האלקטרון הנפלט נקבעת לפי תדירותו של האור, ולא לפי עוצמתו.
במקביל, המחקרים בקרינת גוף שחור שבוצעו במשך ארבעה עשורים (1860-1900) על ידי חוקרים רבים הגיעו לשיאם בהשערה של מקס פלאנק כי האנרגיה של כל מערכת הקולטת או פולטת קרינה אלקטרומגנטית עם תדר ν היא כפולה שלמה של קוונט האנרגיה E = hν. אלברט איינשטיין הראה כי אם מניחים צורה כלשהי של קוונטיזציית אנרגיה, ניתן להסביר את שיווי המשקל התרמודינמי הנצפה בין החומר והקרינה האלקטרומגנטית. עבור הסבר זה של האפקט הפוטואלקטרי, קיבל איינשטיין את פרס נובל לפיזיקה ב-1921.
מאחר שתאוריית האור של מקסוול מאפשרת לקרינה אלקטרומגנטית לקבל כל ערך שרירותי של אנרגיה, רוב הפיזיקאים הניחו שקוונטיזציית האנרגיה נובעת ממגבלה בלתי-ידועה כלשהי של החומר שספג ופלט את הקרינה, ולא מגבלה על הקרינה עצמה. ב-1905, היה איינשטיין הראשון להעלות את ההשערה שקוונטיזציית האנרגיה היא תכונה של הקרינה האלקטרומגנטית עצמה. אף על פי שאיינשטיין קיבל את תקפותה של תאוריית מקסוול, הוא הצביע על כך שניתן להסביר תוצאות של ניסויים רבים שלא עלו בקנה אחד עם התאוריה, אם אנרגיית גלי האור הייתה מרוכזת בקוונטים נקודתיים אשר נעו בנפרד אחד מהשני, אפילו אם הגל עצמו נפרש באופן רציף בחלל. ב-1909 וב-1916, הראה איינשטיין כי לפי חוק פלאנק לקרינת גוף שחור, קוונטי האנרגיה חייבים לשאת גם תנע המוגדר על ידי p = h / λ, ולכן ניתן להתייחס אליהם כאל חלקיקים יסודיים במלוא מובן המילה. תנע הפוטון נצפה בניסוי על ידי ארתור קומפטון, ועל כך הוא קיבל את פרס נובל לפיזיקה ב-1927. נתונים אלו העלו את השאלה החשובה שהעסיקה פיזיקאים רבים: כיצד לאחד את התאוריה הגלית של מקסוול עם טבעו החלקיקי של האור כפי שנצפה בניסוי? התשובה לשאלה זו העסיקה את איינשטיין בשארית חייו, ונפתרה לבסוף באמצעות אלקטרודינמיקה קוונטית וממשיכת דרכה, תאוריית המודל הסטנדרטי.

תכונות פיזיקליות

הפוטון חסר מסה וחסר מטען חשמלי, ואינו מתפרק באופן ספונטני בריק. מהירות האור בריק, c, היא קבוע שערכו 299,792,458 מטרים לשנייה. לכן, פוטון לא יכול להימצא במצב מנוחה. יש לו שני מצבי קיטוב אפשריים, וניתן לתארו על ידי שלושה פרמטרים רציפים בדיוק: רכיבי וקטור הגל שלו. הם קובעים את אורך הגל λ וכיוון ההתפשטות של הפוטון. פוטון נע במסלול גאודזי ממוצע, כלומר בדרך הקצרה ביותר במרחב-זמן. פוטון נושא אנרגיה ותנע הקשורים זה לזה בהתאמה לאורך הגל שלו, כפי שמודגם בניסוח האפקט הפוטו-אלקטרי ובמשוואת דה ברויי.
פוטון הוא חלקיק אלמנטרי מסוג בוזון, כלומר חלקיק בעל ספין שלם המציית לסטטיסטיקת בוז-איינשטיין, ולכן ניתן לדחוס מספר לא מוגבל של פוטונים לתוך אותו מצב קוונטי. לפוטון ספין שלם של 1 אך מכיוון שהוא חסר מסה, יש לו בורגיות מוגדרת ולכן הספין יכול לקבל רק את הערכים .
על פי תורת השדות, הפוטון הוא בוזון הכיול של הכוח האלקטרומגנטי, כלומר, הכוחות החשמליים והמגנטיים הם תוצר של החלפת פוטונים. כל שאר המספרים הקוונטים של הפוטון, כגון מספר לפטוני, מספר באריוני ומוזרות, הם אפס בדיוק. מכיוון שמסת הפוטון היא 0, הכוח החשמלי הוא כוח ארוך טווח (למעשה, בעל טווח אינסופי) ועוצמתו פרופורציונלית לאחד חלקי המרחק בריבוע. זאת, בניגוד, לדוגמה, לגלואון, הנושא את הכוח החזק. אף שגם הגלואון הוא בעל מסה של 0, הרי שלגלואון עצמו יש מטען צבע. כתוצאה מכך, הגלואונים נמשכים זה לזה בעוצמה רבה; תגובה זו מקצרת את טווח הפעולה של הגלואונים ומביאה לכך שהכוח החזק הוא כוח קצר טווח, כאשר מרבית האינטראקציה החזקה מתקיימת בתוך הקוטר של האדרון בודד.
פוטונים נפלטים בתהליכים טבעיים רבים. לדוגמה, כאשר חלקיק טעון מואץ בעת מעבר מולקולרי, אטומי או גרעיני לרמת אנרגיה נמוכה יותר, או כאשר חלקיק ואנטי-חלקיק שלו מתאיינים. פוטונים נבלעים בתהליכים ההפוכים (מבחינת סדר התרחשותם) לתהליכים המוזכרים לעיל: לדוגמה, ביצירת זוג של חלקיק ואנטי-חלקיק או במעבר מולקולרי, אטומי או גרעיני לרמת אנרגיה גבוהה יותר.

מודל בוז-איינשטיין לגז פוטונים

ב-1924, הוכיח הפיזיקאי סאטינדרה נאת בוז את חוק פלאנק לקרינת גוף שחור ללא כל שימוש באלקטרומגנטיות, אלא באמצעות התאמה של תהליך מסוים במרחב מופע. איינשטיין הראה כי התאמה זו שקולה להנחה כי הפוטונים הם זהים לחלוטין, הנחה שמרמזת על קיומה של "אינטראקציה לא מקומית מסתורית", שכיום מבינים אותה כדרישה למצב קוונטי סימטרי. גילויים אלו הובילו להגדרת המושג מצבים קוהרנטיים, ולפיתוחו של הלייזר. בנוסף, הרחיב איינשטיין את ההוכחה של בוז לחלקיקים חומריים (בוזונים), וניבא כי הם יתעבו למצב הקוונטי הנמוך ביותר שלהם בטמפרטורות נמוכות מספיק. תופעה זו, עיבוי בוז-איינשטיין, נצפתה בניסוי ב-1995. השימוש במילה "עיבוי" בהקשר זה הוא אנלוגיה לתהליך העיבוי, שבו חומר רגיל עובר ממצב צבירה גז לנוזל.
על מנת לאפשר סופרפוזיציה של שדות אלקטרומגנטים, המצב בו משוואות מקסוול הן ליניאריות, על הפוטונים לפעול לפי התפלגות בוז-איינשטיין. כל החלקיקים נחלקים לבוזונים - בעלי ספין שלם, ולפרמיונים, בעלי ספין לא שלם שהוא כפולה של ¹⁄₂. משפט ספין-סטטיסטיקה מראה כי כל הבוזונים מצייתים להתפלגות בוז-איינשטיין, ואילו כל הפרמיונים מצייתים להתפלגות פרמי-דיראק, או, באופן שקול, לעקרון האיסור של פאולי. עקרון האיסור קובע כי שני פרמיונים זהים אינם יכולים להימצא באותו מצב קוונטי בו-זמנית. מכאן, אם הפוטון היה פרמיון, רק פוטון אחד היה יכול לנוע בכיוון מסוים בזמן נתון, וזאת בסתירה לתצפית הניסויית שלפיה לייזרים מסוגלים לייצר אור קוהרנטי, שבו פוטונים רבים נעים באותו כיוון בדיוק. מכאן, הפוטון חייב להיות בוזון ולציית להתפלגות בוז-איינשטיין. (ראו גם: גז בוז).

אינטראקציה בין פוטונים לחומר

על פי התמונה הקלאסית, כלומר על פי משוואות מקסוול, האור מורכב משדות חשמליים ומגנטיים המתנדנדים בזמן. משום כך, כאשר אור עובר בקרבת חומר טעון הוא גורם לו להתנדנד. בתהליך זה, עוברת אנרגיה מהאור לחומר ונוצרת בליעה של אור. באותו אופן יכול להתרחש גם התהליך ההפוך: מטענים טעונים המשנים את מהירותם יוצרים שדות חשמליים ומגנטיים משתנים, ולפיכך פולטים אור. תהליכים אלו תוארו לראשונה באופן תאורטי על ידי ג'יימס מקסוול ואוששו באופן ניסיוני לראשונה על ידי היינריך רודולף הרץ.
התמונה הקוונטית של אותם תהליכים היא, שכאשר פוטון עובר בקרבת מערכת קוונטית, כגון אטום, הוא יכול להיבלע, בעוד המערכת עוברת למצב קוונטי גבוה יותר, בהתאם לאנרגיה של הפוטון. התהליך ההפוך הוא שמערכת יורדת ממצב מעורר למצב נמוך יותר, תוך כדי פליטת פוטון. תהליכים אלו הם חד-פוטוניים, והם יוצרים את מגוון התופעות שנחקרות במסגרת האופטיקה הליניארית. בנוסף, ישנו מגוון רחב של תהליכים שבהם מעורב יותר מפוטון אחד (תהליכים רב-פוטוניים), ואלה יוצרים את התופעות של האופטיקה הלא ליניארית.

האופטיקה הליניארית

תהליכים אלו של בליעה, פליטה ופליטה של אור אחראים לתופעות השייכות לתחום האופטיקה הליניארית, כגון בליעה של אור (בחומרים שאינם שקופים), פיזור אור והחזרת אור כתוצאה מפליטה, וכן האטה של מהירות האור הנע בתוך חומר היוצרת את אפקט השבירה של האור. בתופעות אלו נעשה שימוש באופטיקה על מנת ליצור מראות ועדשות, המשמשות למגוון רחב של יישומים הכוללים טלסקופים, מיקרוסקופים, משקפיים, וכדומה.
מקורות אור, כמו נורות ועדשות, מבוססים על תופעת הפליטה הספונטנית. בנורות חשמל רגילות, כמו גם בכוכבים, החום הגדול של חוט הלהט גורם לכך שהאטומים בחוט מעוררים, ופולטים את האנרגיה שלהם בצורת פוטונים, הנפלטים בספקטרום הנקרא קרינת גוף שחור. בנורות ניאון, או בנורות שמבוססות על גזים אחרים, נעשה שימוש בהתפרקויות חשמליות על מנת לעורר את האטומים לרמות גבוהות, וכתוצאה מכך נפלט אור בתדרים המאפיינים את האטומים בגז.
כפי שצויין, לפוטונים יש לא רק אנרגיה אלא גם תנע, ולכן אטום הבולע או הפולט אור מקבל גם "דחיפה" בכיוון או נגד הכיוון שבו נפלט האור. על בסיס תופעה זו הומצאו שיטות לקירור אטומים באמצעות אור. שיטות אלו איפשרו קירור אטומים לטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט והביאו לשורה של תגליות, כגון שעונים אטומיים, יצירתם של גלי חומר ושל עיבוי בוז-איינשטיין ותופעות אחרות.

תופעות מסדרים גבוהים יותר - אופטיקה לא ליניארית

בנוסף לבליעה ולפליטה של פוטון בודד, יכולים להתרחש תהליכים בהם מעורב מספר רב יותר של פוטונים.
אור יכול לבלוע שני פוטונים במקביל אם סכום האנרגיות שלהם מתאים למעבר רמה בתוך האטום. תהליך זה אסור משיקולי סימטריה בחומר איזוטרופי, אך קורה במצבים שבהם הסימטריה נשברת. השימוש העיקרי בתהליך זה הוא בגבישי הכפלה, המשמשים להכפלת תדר האור היוצא מלייזרים. התופעה ההפוכה גם היא אפשרית - אטום מעורר יכול לדעוך לרמת היסוד על ידי פליטה של שני פוטונים שסכום האנרגיות שלהם שווה למעבר הרמה שלו. תופעה זו משמשת לבנייה של לייזרים מסוג OPO, שהם לייזרים שניתן לשלוט בנקל על אורך הגל שלהם. לתופעה זו יש גם שימושים רבים באופטיקה קוונטית, כפי שיוסבר בהמשך.
תופעת רמן היא תופעה שבה שני פוטונים בעלי אנרגיות שונות פוגעים במולקולה וגורמים לה לעלות לרמה גבוהה ומיד אחר-כך לרדת לרמה נמוכה השונה מרמת היסוד. באופן זה המולקולה בולעת אנרגיה כוללת השווה להפרש האנרגיות של שני האטומים, וכך, לדוגמה, ניתן לחקור רמות ויברציה של מולקולות בעזרת שני פוטונים באורכי גל של האור הנראה, במקום בעזרת פוטונים תת-אדומים.
התהליך הלא ליניארי החשוב ביותר הוא תהליך שבו שני פוטונים נבלעים ופוטון אחד נפלט בו זמנית. תהליך זה נקרא תופעת קר (Kerr effect). תהליך זה איננו אסור משיקולי סימטריה, ולכן הוא מתרחש, אם כי בסבירות נמוכה (ולכן ניתן להבחין בו רק כאשר עוצמת האור גבוהה מאוד) בכל מעבר שהוא של אור בחומר. התוצאה של תהליך זה היא שמקדם השבירה של האור בחומר תלוי בעוצמת האור הפוגע.
תהליכים לא ליניאריים נוספים הם תהליכים של יצירת הרמוניות גבוהות. משיקולי סימטריה, כל מספר אי-זוגי של פוטונים יכול להיבלע בו-זמנית, וכך ניתן להמיר מספר רב של פוטונים לפוטון אחד בעל אנרגיה השווה לסך האנרגיות של הפוטונים הנבלעים. באופן עקרוני, ככל שמעורבים בתהליך יותר פוטונים, כך ההסתברות לתהליך קטנה יותר, ולכן, כדי ליצור הרמוניות גבוהות יותר ויותר, יש להשתמש בעוצמת אור גבוהה מאוד. אולם, בסוף שנות ה-80 של המאה ה-20 התגלה כי באור בעל עוצמה גדולה מאוד ניתן ליצור, באופן פשוט יחסית, הרמוניות גבוהות מאוד, כתוצאה מתהליך שבו הפוטונים מייננים את האטומים, מאיצים את האלקטרונים וגורמים להם להתנגש שוב באטום - ולפלוט את כל האנרגיה שהאלקטרונים צברו. תהליך זה משמש, בין השאר, לייצור של פולסים קצרים במיוחד של לייזר, שנמשכים כמה עשרות אטו-שניות בודדות (1 אטו-שנייה = 10⁻¹⁸ שניות).

הפוטון כבוזון כיול

את השדה האלקטרומגנטי ניתן להבין כשדה כיול, כלומר שדה הנובע מהדרישה לסימטריה בלתי-תלויה בכל נקודה במרחב-זמן. סימטריית הכיול של השדה האלקטרומגנטי היא סימטריית U(1)‎ אבלית של מספר מרוכב, אשר משקפת את היכולת לשנות את המופע של מספר מרוכב בלי לשנות את המספר הממשי הנובע ממנו, כגון אנרגיה או הלגראנז'יאן.
הערכים הקטנים ביותר של שדה כיול אבלי חייבים להיות בוזונים חסרי מסה ומטען, כל עוד הסימטריה אינה שבורה; מכאן נוכל להסיק כי הפוטון יהיה חסר מסה, בעל מטען חשמלי אפס וספין שלם. במקרה הספציפי של הכוח האלקטרומגנטי, לפוטון צריך להיות ספין ±1, ולכן הרכיב שלו שנמדד בכיוון התנועה חייב להיות . שתי האפשרויות (פלוס ומינוס) מתאימות לשני מצבי הקיטוב המעגלי של הפוטון (ימני ושמאלי). לפוטונים הווירטואליים (אשר תוארו בסעיף הקודם) עשויים להיות מצבי קיטוב נוספים, לא-פיזיקליים.
במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הפוטון הוא אחד מארבעה בוזוני הכיול של הכוח האלקטרו-חלש. השלושה האחרים מסומנים W⁺, W⁻ ו-Z⁰ והם אחראים לפעולתו של הכוח החלש. שלא כמו הפוטון, לבוזוני הכיול האחרים יש מסת מנוחה, מכיוון שסימטריית הכיול SU(2)‎ שלהם שבורה. איחוד הפוטון עם בוזוני הכיול W ו-Z במסגרת הכוח האלקטרו-חלש בוצע על ידי שלדון לי גלשאו, עבדוס סלאם וסטיבן ויינברג, ובזכותו הם קיבלו את פרס נובל לפיזיקה ב-1979. הפיזיקאים ממשיכים לנסות למצוא תאוריה מאוחדת גדולה אשר תאחד בין ארבעת בוזוני הכיול המוזכרים לעיל לבין שמונת הגלואונים המתוארים בכרומודינמיקה הקוונטית - אך ניבויים חשובים של התאוריות הללו, כגון התפרקות פרוטון, לא נצפו בניסוי.

תרומות למסה של מערכת

מערכת הפולטת פוטון מאבדת כמות אנרגיה השווה לאנרגיה E של הפוטון, כפי שנמדדה במערכת הייחוס שבה נמצאת המערכת הפולטת במנוחה. איבוד האנרגיה שקול לאיבוד מסה בכמות E / c². בדומה, בליעת פוטון שקולה לרכישת מסה בכמות מתאימה.
קונספט זה מעורב בתחזית חשובה של האלקטרודינמיקה הקוונטית. התאוריה מצליחה לחזות את מומנט הדיפול המגנטי של לפטונים ברמת דיוק גבוהה במיוחד; מדידות ניסיוניות של מומנט הדיפול המגנטי תאמו את התחזיות בצורה מושלמת. התחזיות דורשות להביא בחשבון את התרומה של פוטונים וירטואליים למסה של הלפטון. דוגמה נוספת לתרומה כזו אשר אושרה בניסוי היא תיקון לם אשר נצפה במבנה העל-דק של זוגות לפטונים קשורים, כגון מיואוניום (אטום אקזוטי המורכב מאנטי-מיואון ואלקטרון) ופוזיטרוניום (אטום אקזוטי המורכב מאלקטרון ופוזיטרון).
מאחר שפוטונים תורמים לטנזור המאמץ והאנרגיה, הם מפעילים משיכה כבידתית על עצמים אחרים, לפי תורת היחסות הכללית. גם להפך, הפוטונים עצמם מושפעים מהכבידה; מסלוליהם, הישרים בדרך כלל, עשויים להתעקם על ידי מרחב-זמן מעוקם (עובדה ששימשה כהוכחה הראשונה לנכונותה של תורת היחסות הכללית), תופעה הבאה לידי ביטוי בעידוש כבידתי. כמו כן, תדירותם עשויה להפוך נמוכה יותר (לעבור הסחה לאדום) על ידי מעבר לפוטנציאל כבידתי גבוה יותר, כגון בניסוי פאונד-רבקה. אפקטים אלו אינם ייחודיים למודל הפוטונים; אותם אפקטים בדיוק נחזים על ידי המודל הקלאסי של גל אלקטרומגנטי.

יישומים טכנולוגיים

לפוטונים יישומים רבים בטכנולוגיה. בדוגמאות שלהלן נבחרו יישומים של מודל הפוטונים עצמו, ולא יישומים אופטיים כלליים שהיו מתאימים גם למודל הגלי הקלאסי. הלייזר הוא דוגמה ליישום חשוב במיוחד (ראו למעלה).
בפוטונים בודדים ניתן להבחין באמצעות מספר שיטות. שפופרת מכפילת אור מנצלת את האפקט הפוטואלקטרי: פוטון שפוגע בלוח מתכת פולט אלקטרון, וגורם לתגובת שרשרת גוברת והולכת של אלקטרונים. שבבי CCD משתמשים באפקט דומה במוליכים למחצה: פוטון מייצר מטען שניתן לגלותו על קבל מיקרוסקופי. גלאים אחרים כגון מונה גייגר משתמשים ביכולת של פוטון ליינן מולקולות גז, וכך לגרום לשינוי במוליכות שניתן להבחין בו.
נוסחת פלאנק-איינשטיין, E = hν, משמשת לעיתים קרובות מהנדסים וכימאים, גם על מנת לחשב את השינוי באנרגיה כתוצאה מבליעת פוטון וגם כדי לחזות את תדירות האור שנפלט ממעבר אנרגיה מסוים. לדוגמה, את ספקטרום הפליטה של נורת פלואורסצנט ניתן לקבוע על ידי שימוש במולקולות גז בעלות רמות אנרגיה שונות, והתאמת האנרגיה הטיפוסית של האלקטרונים הפוגעים במולקולות הגז שבתוך הנורה.
בתנאים מסוימים, אף על פי שלפוטון יחיד אין מספיק אנרגיה כדי לעורר מעבר אנרגיה, ניתן לעשות זאת באמצעות שני פוטונים כאלה. שיטה זו מאפשרת מיקרוסקופיה בהפרדה גבוהה, מאחר שהדגימה בולעת אנרגיה רק באזורים בהם שתי קרניים מצבעים שונים חופפות בצורה משמעותית, ואזור החפיפה עשוי להיות קטן בהרבה מאזור הפגיעה של קרן יחידה (ראו מיקרוסקופ דו-פוטוני). יתרון נוסף הוא ששני הפוטונים גורמים פחות נזק לדגימה, מאחר שהם בעלי אנרגיה קטנה יותר בהשוואה לפוטון יחיד.
ישנם מקרים בהם שני מעברי אנרגיה עשויים להיקשר כך שבעוד מערכת אחת קולטת פוטון, מערכת אחרת "גונבת" את האנרגיה שלו ופולטת מחדש פוטון בתדירות שונה. זהו הבסיס לשיטת העברת אנרגיה לפי פרסטר אשר משמשת למדידת מרחקים ברמה המולקולרית.

מחקר נוכחי

כיום סבורים שטבעו היסודי של הפוטון ידוע ומובן מבחינה תאורטית: לפי המודל הסטנדרטי, הפוטון הוא בוזון כיול בעל ספין 1, ללא מסה וללא מטען, הנובע מסימטריית הכיול U(1)‎ ומתווך באינטראקציות אלקטרומגנטיות. למרות זאת, הפיזיקאים ממשיכים לחפש אי-התאמות בין התאוריה והניסוי, בתקווה למצוא רמזים לתאוריות אפשריות אשר ירחיבו את המודל הסטנדרטי. בפרט, פיזיקאים ניסיוניים ממשיכים להגדיר גבולות עליונים טובים יותר ויותר למטען והמסה של הפוטון: אם יתגלה ערך שונה מאפס לאחד מהערכים האלו, תהא זו הפרה חמורה של המודל הסטנדרטי. בכל זאת, כל המידע הניסיוני שנאסף עד עתה מצביע על כך שלפוטון מטען ומסה אפס. הגבולות העליונים המקובלים כיום למטען ולמסה של הפוטון הם 5×10⁻⁵² קולון (או 3×10⁻³³ כפול המטען האלמנטרי) ו-1.1×10⁻⁵² קילוגרם (או 1×10⁻²² כפול מסת האלקטרון), בהתאמה.
מחקר רב נערך בנושא היישום של פוטונים באופטיקה קוונטית. פוטונים הם מועמדים מתאימים לתפקיד הגורמים במחשב קוונטי, ושזירה קוונטית בפוטונים היא מוקד למחקר רב. אופטיקה לא ליניארית היא תחום מחקר פעיל נוסף, ובו נושאים כגון קליטה דו-פוטונית, מודולציית מופע עצמית ומתנד פרמטרי אופטי. למרות זאת, תהליכים כאלה בדרך כלל אינם דורשים את הנחת קיומם של הפוטונים כשלעצמה; לעיתים קרובות ניתן להסביר אותם באמצעות התייחסות לאטומים כאל מתנדים לא ליניארים. התהליך הלא-ליניארי של המרת SPDC משמש לעיתים קרובות ליצירת מצבים של פוטון יחיד. לבסוף, פוטונים הם חיוניים בהיבטים מסוימים של תקשורת אופטית, ובמיוחד הצפנה קוונטית.