Двухуровневая система. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Двухуровневая система - простейшая кван-товомеханич. система, имеющая только два энергетич. уровня. Представление о Д. с. играет в совр. теории резонансного взаимодействия эл--магн. излучения с веществом такую же роль, как и представление об осцилляторе в классич. теории излучения и поглощения эл--магн. волн

Во многих случаях Д. с. является хорошей моделью реальных квантовых объектов (атомов, молекул и т. д.). Такая модель адекватна при выполнении след. условий. 1) Спектр квантовой системы существенно неэквидистантен, и лишь для одной пары уровней а и b (частота перехода -

) выполняется условие резонанса с эл -магн. излучением частоты

(рис. 1), т е.

2) Переходами на др. уровни системы можно пренебречь.

Для мн задач квантовой электроники, нелинейной оптики и лазерной спектроскопии достаточно корректным оказывается представление вещества в виде набора Д. с., распределённых с объёмной плотностью N и независимо друг от друга взаимодействующих с окружением (термостатом) и внеш. полями. Для описания временной эволюции таких Д. с. используется аппарат матрицы плотности

, позволяющий корректно учесть как действие полей, так и релаксац. процессы, обусловленные взаимодействием Д. с. с термостатом. В простейшем случае, когда релаксация имеет марковский характер (см. Марковские случайные процессы)и не зависит от приложенного резонансного поля, ур-ние для матрицы плотности

Д. с., усреднённой по состояниям термостата, имеет вид:

Здесь использовано условие нормировки для матрицы плотности Д. с.

. Разность диагональных элементов

определяет разность населённостей уровнен а и ft. Время T₁ характеризует скорость релаксации населённостей к их значениям

в отсутствие внеш. поля и определяется неупругими процессами, вызывающими переходы между уровнями (спонтанное испускание, неупругие столкновения). Недиагональные элементы

зависят от фазовых соотношений между состояниями (соответствующими уровням а и b), и в их релаксацию (время Т₂) кроме неупругих дают вклад упругие процессы, сбивающие фазы состояний. Если релаксация обусловлена только неупругими процессами (разреженные газы, низкие температуры), то T₂ = 2Т₁. В плотных газах и конденсированных средах в оптич. диапазоне обычно Т₂

T₁. Коэффициенты V_ba, V_ab, в (2) - матричные элементы гамильтониана взаимодействия

Д. с. с внеш. квазимонохроматич. полем

; обычно в оптич. диапазоне используется электрич. дипольное приближение:

(

-электрич. дипольный момент). Тогда

где d_ba - проекция матричного элемента дипольного момента на направление поляризации электрич. поля, A (t) - медленно меняющаяся амплитуда поля.

Матрица плотности

определяет отклик вещества (электрич. и магн. поляризацию, плотность тока и т. п.) на действующее излучение. Напр., электрич. поляризация для набора одинаковых Д. с. даётся выражением

Если имеется различие Д. с. по к--л. параметру, то в (4) необходимо выполнить суммирование по вкладам в поляризацию частиц всех сортов.

Ур-ния (2) можно привести к виду, аналогичному Блоха уравнениям для частиц со спином

в магн. поле (см. Радиоспектроскопия, Ядерный магнитный резонанс). Эволюция Д. с. при этом описывается ур-нием для т. н. вектора Блоха

в нек-ром модельном пространстве (векторная или гироскопич. модель Д. с.). "Поперечные" компоненты вектора Блоха и и v связаны с матрицей плотности Д. с. соотношением

и определяют соответственно показатель преломления и коэф. поглощения (усиления) резонансной среды. Время их затухания T₂ определяет однородную полуширину линии поглощения (усиления)

и по аналогии со спиновыми системами наз. временем поперечной релаксации. "Продольная" компонента вектора Блоха

, т. е. разность населённостей, затухает со временем продольной релаксации T₁.

В квазистационарном случае, когда характерное время изменения амплитуды поля

, Т₂, решение для разности населённостей имеет вид:

где

. Отсюда видно, что с увеличением амплитуды поля происходит выравнивание населённостей уровней, т. е. имеет место т. н. насыщения эффект .Величина G наз. параметром насыщения.

Рис. 2. Колебания разности населённостей w и "активной" составляющей вектора Блоха v (соответствующей коэффициенту поглощения) в поле прямоугольного импульса

, T₂. 1 - для

= 0; 2-для

В поле коротких импульсов (

Т₁, T₂) прямоугольной формы

поведение разности населённостей имеет колебательный характер:

Соответствующие колебания с частотой

испытывают при этом поглощение и преломление резонансной среды (рис. 2). В векторной модели это соответствует прецессии вектора Блоха с постоянной длиной вокруг направления

(рис. 3). Частота колебаний в точном резонансе

называется частотой Раби.

Колебания разности населённостей двухуровневого атома под действием резонансного поля называется нутацией (см. Оптическая нутация).

Особенности поведения Д. с. в сильном резонансном эл--магн. поле обусловливают целый ряд резонансных нелинейных эффектов, таких, как затухание свободной поляризации ,оптическая нутация, p- импульс, самоиндуцированная прозрачность, фотонное эхо.

В случае, когда взаимным влиянием двухуровневых атомов нельзя пренебречь, использование ур-ний (2) некорректно и необходимо рассматривать ансамбль Д. с. в целом.

Литература по двухуровневым системам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.