En física atómica , un estado oscuro se refiere a un estado de un átomo o molécula que no puede absorber (o emitir) fotones. Todos los átomos y moléculas se describen mediante estados cuánticos ; diferentes estados pueden tener diferentes energías y un sistema puede hacer una transición de un nivel de energía a otro emitiendo o absorbiendo uno o más fotones . Sin embargo, no se permiten todas las transiciones entre estados arbitrarios. Un estado que no puede absorber un fotón incidente se llama estado oscuro. Esto puede ocurrir en experimentos con láser. luz para inducir transiciones entre niveles de energía, cuando los átomos pueden decaer espontáneamente a un estado que no está acoplado a ningún otro nivel por la luz láser, evitando que el átomo absorba o emita luz desde ese estado.
Un estado oscuro también puede ser el resultado de una interferencia cuántica en un sistema de tres niveles, cuando un átomo se encuentra en una superposición coherente de dos estados, ambos acoplados por láseres a la frecuencia correcta a un tercer estado. Con el sistema en una superposición particular de los dos estados, el sistema puede oscurecerse para ambos láseres ya que la probabilidad de absorber un fotón llega a 0.
Sistemas de dos niveles
En la práctica
Los experimentos en física atómica a menudo se realizan con un láser de una frecuencia específica. (lo que significa que los fotones tienen una energía específica), por lo que solo unen un conjunto de estados con una energía particular a otro conjunto de estados con una energía . Sin embargo, el átomo aún puede decaer espontáneamente a un tercer estado emitiendo un fotón de una frecuencia diferente. El nuevo estado con energíadel átomo ya no interactúa con el láser simplemente porque no están presentes fotones de la frecuencia correcta para inducir una transición a un nivel diferente. En la práctica, el término estado oscuro se usa a menudo para un estado que no es accesible por el láser específico en uso, aunque las transiciones desde este estado están permitidas en principio.
En teoria
Ya sea que digamos o no una transición entre un estado y un estado lo que se permite a menudo depende de cuán detallado sea el modelo que usamos para la interacción átomo-luz. A partir de un modelo en particular, siga un conjunto de reglas de selección que determinan qué transiciones están permitidas y cuáles no. A menudo, estas reglas de selección se pueden reducir a la conservación del momento angular (el fotón tiene momento angular). En la mayoría de los casos, solo consideramos un átomo que interactúa con el campo dipolo eléctrico del fotón. Entonces, algunas transiciones no están permitidas en absoluto, otras solo están permitidas para fotones de cierta polarización. Considere, por ejemplo, el átomo de hidrógeno. La transición del estadocon m j = -1 / 2 al estadocon m j = -1 / 2 solo se permite para luz con polarización a lo largo del eje z (eje de cuantificación) del átomo. El estadocon m j = -1 / 2 por lo tanto aparece oscuro para la luz de otras polarizaciones. Las transiciones del nivel 2S al nivel 1S no están permitidas en absoluto. El estado 2S no puede decaer al estado fundamental emitiendo un solo fotón. Solo puede decaer por colisiones con otros átomos o emitiendo múltiples fotones. Dado que estos eventos son raros, el átomo puede permanecer en este estado excitado durante mucho tiempo, tal estado excitado se denomina estado metaestable .
Sistemas de tres niveles
Comenzamos con un sistema de tipo Λ de tres estados, donde y son transiciones permitidas por dipolos y está prohibido. En la aproximación de onda rotatoria , el hamiltoniano semiclásico viene dado por
con
dónde y son las frecuencias Rabi del campo de la sonda (de frecuencia) y el campo de acoplamiento (de frecuencia ) en resonancia con las frecuencias de transición y , respectivamente, y Hc representa el conjugado hermitiano de toda la expresión. Escribiremos la función de onda atómica como
Resolver la ecuación de Schrödinger , obtenemos las soluciones
Usando la condición inicial
podemos resolver estas ecuaciones para obtener
con . Observamos que podemos elegir las condiciones iniciales
que da una solución independiente del tiempo a estas ecuaciones sin probabilidad de que el sistema esté en estado . [1] Este estado también se puede expresar en términos de un ángulo de mezcla como
con
Esto significa que cuando los átomos están en este estado, permanecerán en este estado indefinidamente. Este es un estado oscuro, porque no puede absorber ni emitir fotones de los campos aplicados. Por lo tanto, es efectivamente transparente para el láser de la sonda, incluso cuando el láser resona exactamente con la transición. Emisión espontánea depuede resultar en que un átomo esté en este estado oscuro u otro estado coherente, conocido como estado brillante. Por lo tanto, en una colección de átomos, con el tiempo, la desintegración hacia el estado oscuro resultará inevitablemente en que el sistema quede "atrapado" coherentemente en ese estado, un fenómeno conocido como atrapamiento coherente de población .
Ver también
Referencias
- ^ P. Lambropoulos y D. Petrosyan (2007). Fundamentos de Óptica Cuántica e Información Cuántica . Berlina; Nueva York: Springer.