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¿Por qué los átomos en estados de alta energía son tan raros en el equilibrio térmico?
En física, la importancia del equilibrio térmico y la distribución de los estados de energía en los fenómenos naturales es evidente. Cuando analizamos el estado energético de un sistema (como un átomo), a menudo nos encontramos con el concepto de "inversión de población". Esto es particularmente importante en la ciencia del láser porque los láseres necesitan una distribución de energía específica para funcionar, lo que significa que debe haber más átomos en estados de alta energía que en estados de baja energía. Sin embargo, esto es extremadamente difícil en el caso del equilibrio térmico.
"En equilibrio térmico, el número de átomos de alta energía es casi insignificante".
Para entender esto, primero debemos pensar en la distribución de Boltzmann. Según la estadística de Boltzmann, en un sistema en equilibrio térmico, la llamada distribución de niveles de energía está determinada por la relación de partículas que ocupan diferentes estados de energía. En un medio láser compuesto de átomos, estos átomos pueden existir en dos estados de energía: estado fundamental y estado excitado. La energía del estado fundamental es menor que la del estado excitado, por lo que a temperatura ambiente, según el factor de Boltzmann, el número de átomos en el estado fundamental suele ser mucho mayor que en el estado excitado.
Es bien sabido que a medida que aumenta la temperatura, algunos átomos ganan energía absorbiendo fotones y entran en un estado excitado. Pero aún así, cuando el sistema alcanza el equilibrio térmico, el número de átomos en el estado excitado (N2) nunca excederá el número en el estado fundamental (N1). Como puedes imaginar, esto es un desafío a las leyes de la naturaleza.
"Sólo en un estado de no equilibrio se puede lograr una reversión de la población."
El principio del láser se basa en tres interacciones de la luz: absorción, emisión natural y emisión estimulada. Cuando un rayo de luz pasa a través de un grupo de átomos, si la frecuencia de la luz coincide con una determinada diferencia de energía, los átomos en el estado fundamental absorberán los fotones y pasarán a un estado excitado. Sin embargo, este proceso también va acompañado de la aparición de radiación espontánea y radiación estimulada, lo que complica el proceso de intercambio de fotones. Si el número de átomos en el estado fundamental es grande, el proceso de absorción domina, lo que da como resultado una atenuación de la luz; si el número de átomos en el estado excitado es grande, se producirá una mejora de la luz y la generación de láser.
Es por esto que en la implementación de láseres, lograr una inversión de población persistente a menudo requiere el uso de métodos indirectos, como el bombeo óptico. En un láser de tres o cuatro niveles, las ventajas del sistema láser se consiguen excitando selectivamente un determinado nivel de energía y manteniendo sólo unos pocos átomos en el estado de alta energía.
"Los láseres de tres y cuatro niveles demuestran diferentes principios de bombeo y amplificación, y sus diferencias de eficiencia reflejan cómo lograr un equilibrio entre los estados de alta energía y el estado fundamental".
Vale la pena señalar que en muchos sistemas, las reglas de selección limitan las posibilidades de transferencia de energía, lo cual debemos tener en cuenta al fabricar láseres. Por ejemplo, diferentes sustancias pueden responder de manera muy diferente a la emisión de láser, y algunas transiciones pueden estar sujetas a reglas de selección mecánica cuántica, por lo que su emisión de luz puede retrasarse, como la fosforescencia.
En resumen, el estado de equilibrio térmico hace que el número de átomos de alta energía sea escaso porque en este estado, el número de átomos en estado fundamental suele ser mucho mayor que el de estados excitados. Para romper este equilibrio y alcanzar una mayoría de estados de alta energía, se necesita energía externa para impulsar el sistema, por ejemplo a través de la tecnología de bombeo óptico. Esto plantea una pregunta clave: ¿Podemos encontrar formas eficientes de crear y mantener un estado de inversión poblacional en nuestra vida diaria para apoyar una tecnología láser más eficiente?
