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Dalla teoria all'esperimento: come ha predetto Maria Goeppert-Mayer l'assorbimento di due fotoni?
L'assorbimento di due fotoni (TPA) è un fenomeno affascinante della fisica atomica, un concetto che affonda le sue radici nell'esplorazione scientifica dei primi anni del XX secolo. Maria Goeppert Mayer fu la prima a predire questo processo nel 1931 nella sua tesi di dottorato e dimostrò come i fotoni possano influenzare gli stati eccitati di atomi o molecole in diverse condizioni. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, in particolare con l'invenzione del laser, questa teoria venne presto verificata mediante esperimenti e attirò grande attenzione da parte della comunità scientifica.
L'assorbimento a due fotoni è definito come l'assorbimento simultaneo di due fotoni in uno stato energetico virtuale, che eccita un atomo o una molecola da uno stato a uno stato energetico superiore.
L'assorbimento di due fotoni non è solo una teoria importante nella fisica atomica, ma rappresenta anche un processo ottico non lineare, in cui la probabilità di assorbimento è proporzionale al quadrato dell'intensità luminosa. Grazie allo sviluppo dei laser e di altre sorgenti luminose ad alta intensità, gli scienziati possono osservare l'assorbimento di due fotoni in determinati materiali, il che offre un nuovo modo per esplorare l'interazione tra luce e materia.
Vale la pena notare che il processo di assorbimento di due fotoni può essere suddiviso in assorbimento degenere, che avviene su fotoni della stessa frequenza, e assorbimento non degenere, che avviene su fotoni di frequenze diverse. Le previsioni di Mayer gettarono le basi per lo studio di questo fenomeno complesso, ma la sua teoria non ricevette molta attenzione all'epoca e il suo lavoro non venne preso sul serio fino a decenni dopo.
La previsione di Mayer sull'assorbimento di due fotoni fu proposta per la prima volta nella sua tesi di dottorato e la formulazione di questa teoria è strettamente correlata al modello ottico iniziale.
Inoltre, il processo di assorbimento di due fotoni previsto da Mayer implica il pensiero della meccanica quantistica. In questo contesto, la luce è vista come fotoni e si afferma che l'assorbimento di due fotoni richiede che l'energia dei fotoni sia in grado di colmare il divario energetico all'interno dell'atomo. Ciò significa che gli scienziati che studiano questo fenomeno devono utilizzare tecniche ottiche appropriate, come laser sintonizzabili, per osservare chiare caratteristiche di assorbimento.
La possibilità di assorbimento di due fotoni dipende non solo dall'intensità della luce, ma anche dal grado di adattamento della luce e dal controllo preciso della sorgente luminosa.
Le successive verifiche sperimentali, come l'osservazione della fluorescenza eccitata da due fotoni nei cristalli drogati con bario, segnarono il successo dell'applicazione della teoria di Mayer. Queste prime scoperte aprirono la strada a successive osservazioni di fenomeni di assorbimento di due fotoni in altri materiali, come il vapore di germanio e il solfuro di cadmio.
Con l'approfondimento della nostra comprensione del processo di assorbimento a due fotoni, lo studio delle regole di selezione è gradualmente diventato un obiettivo. Le regole di selezione per l'assorbimento di due fotoni sono diverse da quelle per l'assorbimento di fotoni singoli, il che consente a determinate molecole di subire un'efficiente conversione dei fotoni in specifiche condizioni ottiche, rafforzando ulteriormente l'importanza dell'assorbimento di due fotoni nella moderna scienza dei materiali.
L'assorbimento a due fotoni può essere misurato utilizzando diverse tecniche, tra cui la fluorescenza a due fotoni, la scansione Z, l'autodiffrazione e la trasmissione non lineare.
Attraverso queste tecniche, i ricercatori possono ottenere le variazioni nella sezione d'urto di assorbimento di due fotoni a diverse lunghezze d'onda, il che è fondamentale per lo sviluppo di nuovi materiali ottici e applicazioni. Allo stesso tempo, questi studi evidenziano anche il potenziale dei materiali ottici non lineari nei dispositivi optoelettronici.
Sebbene il fenomeno dell'assorbimento di due fotoni sia stato ampiamente studiato e convalidato, molti scienziati e ingegneri sono consapevoli che esistono molti processi fisici che non sono ancora stati pienamente compresi o esplorati. Con il progresso della scienza e della tecnologia, vengono costantemente progettati nuovi materiali e metodi, il che significa che c'è ancora molta strada da fare nello studio dell'assorbimento a due fotoni. In che modo le future esplorazioni influenzeranno la nostra comprensione e applicazione dei fenomeni ottici?
