En física atòmica, un estat fosc es refereix a un estat d'un àtom o molècula que no pot absorbir (o emetre) fotons. Tots els àtoms i molècules es descriuen mitjançant estats quàntics; els diferents estats poden tenir diferents energies i un sistema pot fer una transició d'un nivell d'energia a un altre emetent o absorbint un o més fotons. Tanmateix, no totes les transicions entre estats arbitraris estan permeses. Un estat que no pot absorbir un fotó incident s'anomena estat fosc. Això pot ocórrer en experiments que utilitzen llum làser per induir transicions entre nivells d'energia, quan els àtoms poden desintegrar-se espontàniament en un estat que no està acoblat a cap altre nivell per la llum làser, impedint que l'àtom absorbeixi o emeti llum des d'aquest estat.

Un estat fosc també pot ser el resultat d'una interferència quàntica en un sistema de tres nivells, quan un àtom es troba en una superposició coherent de dos estats, tots dos acoblats per làsers a la freqüència correcta a un tercer estat. Amb el sistema en una superposició particular dels dos estats, el sistema es pot fer fosc per a tots dos làsers, ja que la probabilitat d'absorbir un fotó es redueix a 0.

Sistemes de dos nivells A la pràctica Els experiments en física atòmica sovint es fan amb un làser d'una freqüència específica (és a dir, els fotons tenen una energia específica), de manera que només acoblen un conjunt d'estats amb una energia particular a un altre conjunt d'estats amb una energia No obstant això, l'àtom encara pot desintegrar-se espontàniament en un tercer estat emetent un fotó d'una freqüència diferent. El nou estat amb energia de l'àtom ja no interactua amb el làser simplement perquè no hi ha fotons de la freqüència correcta per induir una transició a un nivell diferent. A la pràctica, el terme estat fosc s'utilitza sovint per a un estat que no és accessible pel làser específic en ús, tot i que en principi les transicions des d'aquest estat estan permeses.

En teoria Tant si diem com si no una transició entre un estat i un estat El que es permet sovint depèn de com de detallat sigui el model que utilitzem per a la interacció àtom-llum. A partir d'un model concret, es segueix un conjunt de regles de selecció que determinen quines transicions es permeten i quines no. Sovint, aquestes regles de selecció es poden reduir a la conservació del moment angular (el fotó té moment angular). En la majoria dels casos, només considerem un àtom que interactua amb el camp dipolar elèctric del fotó. Aleshores, algunes transicions no es permeten en absolut, d'altres només es permeten per a fotons d'una determinada polarització. Considerem, per exemple, l'àtom d'hidrogen. La transició de l'estat amb m j =-1/2 a l'estat amb m j =-1/2 només es permet per a la llum amb polarització al llarg de l'eix z (eix de quantificació) de l'àtom. L'estat amb m j =-1/2, per tant, apareix fosc per a la llum d'altres polaritzacions. Les transicions del nivell 2S al nivell 1S no estan permeses en absolut. L'estat 2S no pot decaure a l'estat fonamental emetent un sol fotó. Només pot decaure per col·lisions amb altres àtoms o emetent múltiples fotons. Com que aquests esdeveniments són rars, l'àtom pot romandre en aquest estat excitat durant molt de temps, aquest estat excitat s'anomena estat metaestable.

Tant si diem com si no una transició entre un estat i un estat El que es permet sovint depèn de com de detallat sigui el model que utilitzem per a la interacció àtom-llum. A partir d'un model concret, es segueix un conjunt de regles de selecció que determinen quines transicions es permeten i quines no. Sovint, aquestes regles de selecció es poden reduir a la conservació del moment angular (el fotó té moment angular). En la majoria dels casos, només considerem un àtom que interactua amb el camp dipolar elèctric del fotó. Aleshores, algunes transicions no es permeten en absolut, d'altres només es permeten per a fotons d'una determinada polarització. Considerem, per exemple, l'àtom d'hidrogen. La transició de l'estat amb m j =-1/2 a l'estat amb m j =-1/2 només es permet per a la llum amb polarització al llarg de l'eix z (eix de quantificació) de l'àtom. L'estat amb m j =-1/2, per tant, apareix fosc per a la llum d'altres polaritzacions. Les transicions del nivell 2S al nivell 1S no estan permeses en absolut. L'estat 2S no pot decaure a l'estat fonamental emetent un sol fotó. Només pot decaure per col·lisions amb altres àtoms o emetent múltiples fotons. Com que aquests esdeveniments són rars, l'àtom pot romandre en aquest estat excitat durant molt de temps, aquest estat excitat s'anomena estat metaestable.

Sistemes de tres nivells miniatura|Un sistema de tipus Λ de tres estats Comencem amb un sistema de tipus Λ de tres estats, on i són transicions dipolars permeses i està prohibit. En l'aproximació de l'ona rotant, l'hamiltonià semiclàssic ve donat per

amb

on i són les freqüències de Rabi del camp de la sonda (de freqüència ) i el camp d'acoblament (de freqüència ) en ressonància amb les freqüències de transició i , respectivament, i Hc representa el conjugat hermitià de tota l'expressió. Escriurem la funció d'ona atòmica com a

Resolent l'equació de Schrödinger , obtenim les solucions

Utilitzant la condició inicial

podem resoldre aquestes equacions per obtenir

amb Observem que podem triar les condicions inicials

que dóna una solució independent del temps a aquestes equacions sense probabilitat que el sistema estigui en l'estat Aquest estat també es pot expressar en termes d'un angle de mescla. com

amb

Això significa que quan els àtoms es troben en aquest estat, hi romandran indefinidament. Aquest és un estat fosc, perquè no pot absorbir ni emetre cap fotó dels camps aplicats. Per tant, és efectivament transparent al làser de la sonda, fins i tot quan el làser és exactament ressonant amb la transició. Emissió espontània de pot resultar en un àtom en aquest estat fosc o en un altre estat coherent, conegut com a estat brillant. Per tant, en un conjunt d'àtoms, amb el temps, la desintegració cap a l'estat fosc inevitablement farà que el sistema quedi "atrapat" coherentment en aquest estat, un fenomen conegut com a atrapament de població coherent.

Referències

Categoria:Física atòmica