En física , los latidos cuánticos son ejemplos simples de fenómenos que no pueden describirse mediante la teoría semiclásica, pero pueden describirse mediante cálculos totalmente cuantificados, especialmente la electrodinámica cuántica . En la teoría semiclásica (SCT), existe un término de interferencia o nota de tiempo tanto para el tipo V como para-tipo átomos. [ aclaración necesaria ] Sin embargo, en el cálculo de la electrodinámica cuántica (QED), los átomos de tipo V tienen un término de latido pero-los tipos no. Esta es una fuerte evidencia en apoyo de la electrodinámica cuántica .
Panorama historico
La observación de los latidos cuánticos fue informada por primera vez por AT Forrester, RA Gudmunsen y PO Johnson en 1955, [1] en un experimento que se realizó sobre la base de una propuesta anterior de AT Forrester, WE Parkins y E. Gerjuoy. [2] Este experimento implicó la mezcla de los componentes Zeeman de la luz incoherente ordinaria, es decir, la mezcla de diferentes componentes resultante de una división de la línea espectral en varios componentes en presencia de un campo magnético debido al efecto Zeeman . Estos componentes de luz se mezclaron en una superficie fotoeléctrica , y los electrones emitidos desde esa superficie luego excitaron una cavidad de microondas , lo que permitió que la señal de salida se midiera en función del campo magnético. [3] [4]
Desde la invención del láser , los latidos cuánticos se pueden demostrar mediante el uso de luz procedente de dos fuentes de láser diferentes. En 2017, se observaron latidos cuánticos en la emisión de un solo fotón de la excitación colectiva atómica. [5] Los latidos colectivos observados no se debieron a la superposición de excitación entre dos niveles de energía diferentes de los átomos, como en los latidos cuánticos habituales de un solo átomo en-tipo átomos. [6] En cambio, se almacenó un solo fotón como excitación del mismo nivel de energía atómica, pero esta vez dos grupos de átomos con diferentes velocidades se han excitado de manera coherente. Estos latidos colectivos se originan a partir del movimiento entre pares de átomos entrelazados, [6] que adquieren una fase relativa debido al efecto Doppler .
Tipo V y -tipo de átomos
Hay una figura en Quantum Optics [7] que describe-tipo y -tipo átomos claramente.
Simplemente, los átomos de tipo V tienen 3 estados: , , y . Los niveles de energía de y son más altos que los de . Cuando los electrones en estados y : posteriormente decaer al estado , se irradian dos tipos de emisión.
En -tipo átomos, también hay 3 estados: , , y :. Sin embargo, en este tipo, está en el nivel de energía más alto, mientras que y :están en niveles más bajos. Cuando dos electrones en estado decadencia a estados y :, respectivamente, también se irradian dos tipos de emisión.
La siguiente derivación sigue la óptica cuántica de referencia [8]
Cálculo basado en teoría semiclásica
En la imagen semiclásica, el vector de estado de los electrones es
- .
Si los elementos de la matriz dipolar que no desaparecen están descritos por
- para átomos de tipo V,
- por -tipo átomos,
entonces cada átomo tiene dos dipolos oscilantes microscópicos
- para tipo V, cuando ,
- por -tipo, cuando .
En la imagen semiclásica, el campo irradiado será la suma de estos dos términos
- ,
por lo que está claro que hay una interferencia o un término de nota de tiempo en un detector de ley cuadrada
- .
Cálculo basado en electrodinámica cuántica
Para el cálculo electrodinámico cuántico, deberíamos introducir los operadores de creación y aniquilación de la segunda cuantificación de la mecánica cuántica .
Dejar
- es un operador de aniquilación y
- es un operador de creación .
Entonces la nota de ritmo se convierte en
- para tipo V y
- por -tipo,
cuando el vector de estado para cada tipo es
- y
- .
El término de la nota de tiempo se convierte en
- para tipo V y
- por -tipo.
Por ortogonalidad de autoestados , sin embargo y .
Por lo tanto, hay un término de nota de tiempo para átomos de tipo V, pero no para -tipo átomos.
Conclusión
Como resultado del cálculo, los átomos de tipo V tienen latidos cuánticos pero los átomos de tipo no lo hacen. Esta diferencia se debe a la incertidumbre de la mecánica cuántica . Un átomo de tipo V decae al estado a través de la emisión con y . Dado que ambas transiciones decayeron al mismo estado, no se puede determinar a lo largo de qué camino decayó cada una, similar al experimento de doble rendija de Young . Sin emabargo,-tipo átomos decaen a dos estados diferentes. Por lo tanto, en este caso podemos reconocer la ruta, incluso si se desintegra a través de dos emisiones como lo hace el tipo V. Simplemente, ya conocemos el camino de la emisión y la desintegración.
El cálculo por QED es correcto de acuerdo con el principio más fundamental de la mecánica cuántica , el principio de incertidumbre . Los fenómenos de latidos cuánticos son buenos ejemplos que pueden ser descritos por QED pero no por SCT.
Ver también
Referencias
- ^ EN Forrester, RA Gudmunsen, PO Johnson, Physical Review, vol. 99, págs. 1691-1700, 1955 ( resumen )
- ^ AT Forrester, WE Parkins, E. Gerjuoy: Sobre la posibilidad de observar frecuencias de batido entre líneas en el espectro visible , Physical Review, vol. 72, págs. 241–243, 1947
- ^ Edward Gerjuoy: Física atómica , en: H. Henry Stroke (ed.): The Physical Review: los primeros cien años: una selección de artículos y comentarios fundamentales , Springer, 1995, ISBN 978-1-56396-188-5 , págs. 83-102, pág. 97
- ^ Paul Hartman: una memoria sobre la revisión física: una historia de los primeros cien años , Springer, 2008, ISBN 978-1-56396-282-0 , pág. 193
- ^ Merlán, DJ; Šibalić, N .; Keaveney, J .; Adams, CS; Hughes, IG (22 de junio de 2017). "Interferencia de un solo fotón debido al movimiento en una excitación colectiva atómica". Cartas de revisión física . 118 (25): 253601. arXiv : 1612.05467 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.118.253601 . PMID 28696754 .
- ^ a b Haroche, S. (1976), "Latidos cuánticos y espectroscopia de fluorescencia de resolución temporal", Espectroscopia láser de alta resolución , Temas de física aplicada, 13 , Springer Berlin Heidelberg, págs. 253–313, doi : 10.1007 / 3540077197_23 , ISBN 9783540077190
- ^ Marlan Orvil Scully y Muhammad Suhail Zubairy (1997). Óptica cuántica . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. pag. 18. ISBN 978-0-521-43595-6.
- ^ Marlan Orvil Scully y Muhammad Suhail Zubairy (1997). Óptica cuántica . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. págs. 16-19. ISBN 978-0-521-43595-6.
Otras lecturas
- FG Major (2007). The Quantum Beat: Principios y aplicaciones de los relojes atómicos . Saltador. ISBN 978-0-387-69533-4.
- Marlan Orvil Scully y Muhammad Suhail Zubairy (1997). Óptica cuántica . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. pag. 541. ISBN 978-0-521-43595-6.