El efecto Purcell es la mejora de la tasa de emisión espontánea de un sistema cuántico por parte de su entorno. En la década de 1940, Edward Mills Purcell descubrió la mejora de las tasas de emisión espontánea de átomos cuando se incorporan a una cavidad resonante. [1]
La magnitud de la mejora viene dada por el factor de Purcell [2]
dónde es la longitud de onda dentro del material de la cavidad del índice de refracción , y y son el factor de calidad y el volumen de modo de la cavidad, respectivamente.
Derivación heurística
Una forma de ver por qué surge el efecto Purcell es mediante el uso de la electrodinámica cuántica de cavidades . [3] La regla de oro de Fermi dicta que la tasa de transición para el sistema átomo-vacío (o átomo-cavidad) es proporcional a la densidad de los estados finales . En una cavidad en resonancia, la densidad de estados finales aumenta (aunque el número de estados finales puede no serlo). El factor de Purcell es entonces solo la proporción de la cavidad
al de la densidad de espacio libre de estados [4]
Utilizando
lo conseguimos
lo cual es correcto hasta una constante.
En la investigación
Se ha predicho teóricamente [5] [6] que un entorno de material 'fotónico' puede controlar la tasa de recombinación radiativa de una fuente de luz incorporada. Un objetivo principal de la investigación es el logro de un material con una banda prohibida fotónica completa : un rango de frecuencias en el que no existen modos electromagnéticos y todas las direcciones de propagación están prohibidas. En las frecuencias de la banda prohibida fotónica, la emisión espontánea de luz se inhibe por completo. La fabricación de un material con una banda prohibida fotónica completa es un gran desafío científico. Por esta razón, los materiales fotónicos se están estudiando ampliamente. Se informa de muchos tipos diferentes de sistemas en los que la tasa de emisión espontánea es modificada por el medio ambiente, incluidas las cavidades, dos, [7] [8] y materiales de banda prohibida fotónicos [9] tridimensionales [9] .
El efecto Purcell también puede ser útil para modelar fuentes de fotón único para criptografía cuántica . [10] Controlar la tasa de emisión espontánea y así aumentar la eficiencia de generación de fotones es un requisito clave para las fuentes de fotón único basadas en puntos cuánticos . [11]
Referencias
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