Тёмные состояния атомов в атомной физике: квантовые состояния, не поглощающие фотоны. Как лазеры создают эти состояния и почему важны для экспериментов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
В атомной физике темное состояние — это состояние атома или молекулы, которое не может поглощать (или излучать) фотоны. Все атомы и молекулы описываются квантовыми состояниями; различные состояния могут иметь разные энергии, и система может совершить переход с одного энергетического уровня на другой, излучая или поглощая один или несколько фотонов. Однако не все переходы между произвольными состояниями разрешены. Состояние, которое не может поглотить падающий фотон, называется темным состоянием. Это может происходить в экспериментах с использованием лазерного света для индуцирования переходов между энергетическими уровнями, когда атомы могут спонтанно переходить в состояние, не связанное с каким-либо другим уровнем посредством лазерного света, что предотвращает поглощение или излучение света из этого состояния. Темное состояние также может быть результатом квантовой интерференции в трех-уровневой системе, когда атом находится в когерентной суперпозиции двух состояний, каждое из которых связано лазерами с правильной частотой к третьему состоянию. При нахождении системы в определенной суперпозиции этих двух состояний, система может стать непрозрачной для обоих лазеров, поскольку вероятность поглощения фотона стремится к нулю.
In atomic physics, a dark state refers to a state of an atom or molecule that cannot absorb (or emit) photons. All atoms and molecules are described by quantum states; different states can have different energies and a system can make a transition from one energy level to another by emitting or absorbing one or more photons. However, not all transitions between arbitrary states are allowed. A state that cannot absorb an incident photon is called a dark state. This can occur in experiments using laser light to induce transitions between energy levels, when atoms can spontaneously decay into a state that is not coupled to any other level by the laser light, preventing the atom from absorbing or emitting light from that state. A dark state can also be the result of quantum interference in a three level system, when an atom is in a coherent superposition of two states, both of which are coupled by lasers at the right frequency to a third state. With the system in a particular superposition of the two states, the system can be made dark to both lasers as the probability of absorbing a photon goes to 0.
На практике
Эксперименты в атомной физике часто проводятся с лазером определенной частоты (то есть фотоны имеют определенную энергию), поэтому они взаимодействуют только с одним набором состояний с определенной энергией, переходя в другой набор состояний с другой энергией. Однако атом все еще может спонтанно распадаться в третье состояние, испуская фотон иной частоты. Новое состояние атома с этой энергией больше не взаимодействует с лазером, поскольку в нем отсутствуют фотоны нужной частоты для индуцирования перехода на другой уровень. На практике термин "темное состояние" часто используется для обозначения состояния, которое недоступно для данного используемого лазера, хотя переходы из этого состояния в принципе возможны.
Experiments in atomic physics are often done with a laser of a specific frequency (meaning the photons have a specific energy), so they only couple one set of states with a particular energy to another set of states with an energy However, the atom can still decay spontaneously into a third state by emitting a photon of a different frequency. The new state with energy of the atom no longer interacts with the laser simply because no photons of the right frequency are present to induce a transition to a different level. In practice, the term dark state is often used for a state that is not accessible by the specific laser in use even though transitions from this state are in principle allowed.
В теории
Допускается ли переход между состоянием и состоянием, часто зависит от того, насколько детальной является модель, используемая для описания взаимодействия атома со светом. Из конкретной модели вытекает набор правил отбора, определяющих, какие переходы разрешены, а какие – нет. Зачастую эти правила отбора сводятся к закону сохранения углового момента (фотон обладает угловым моментом). В большинстве случаев мы рассматриваем взаимодействие атома только с электрическим дипольным полем фотона. Тогда некоторые переходы полностью запрещены, а другие разрешены лишь для фотонов определенной поляризации. Рассмотрим, например, атом водорода. Переход из состояния с mj=1/2 в состояние с mj=1/2 разрешен только для света с поляризацией вдоль оси z (оси квантования) атома. Следовательно, состояние с mj=1/2 выглядит "темным" для света другой поляризации. Переходы с уровня 2S на уровень 1S полностью запрещены. Состояние 2S не может распадаться в основное состояние, испуская один фотон. Распад возможен только в результате столкновений с другими атомами или испускания нескольких фотонов. Поскольку эти события редки, атом может оставаться в этом возбужденном состоянии в течение длительного времени; такое возбужденное состояние называется метастабильным.
Whether or not we say a transition between a state and a state is allowed often depends on how detailed the model is that we use for the atom light interaction. From a particular model follow a set of selection rules that determine which transitions are allowed and which are not. Often these selection rules can be boiled down to conservation of angular momentum (the photon has angular momentum). In most cases we only consider an atom interacting with the electric dipole field of the photon. Then some transitions are not allowed at all, others are only allowed for photons of a certain polarization. Consider for example the hydrogen atom. The transition from the state with mj= 1/2 to the state with mj= 1/2 is only allowed for light with polarization along the z axis (quantization axis) of the atom. The state with mj= 1/2 therefore appears dark for light of other polarizations. Transitions from the 2S level to the 1S level are not allowed at all. The 2S state can not decay to the ground state by emitting a single photon. It can only decay by collisions with other atoms or by emitting multiple photons. Since these events are rare, the atom can remain in this excited state for a very long time, such an excited state is called a metastable state.