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Perché gli atomi in equilibrio termico in stati ad alta energia sono così rari?
In fisica, l'importanza dell'equilibrio termico e della distribuzione degli stati energetici nei fenomeni naturali è evidente. Quando discutiamo dello stato energetico di un sistema (come un atomo), spesso incontriamo il concetto di “inversione della popolazione”. Ciò è particolarmente importante nella scienza dei laser, perché il funzionamento dei laser richiede una speciale distribuzione dell'energia, ovvero devono esserci più atomi negli stati ad alta energia che atomi negli stati a bassa energia. Tuttavia, nel caso dell’equilibrio termico ciò è estremamente difficile.
"In uno stato di equilibrio termico, il numero di atomi ad alta energia è quasi trascurabile."
Per capirlo, devi prima considerare la distribuzione di Boltzmann. Secondo la statistica di Boltzmann, in un sistema in equilibrio termico, la cosiddetta distribuzione dei livelli energetici è determinata dal rapporto tra le particelle che occupano diversi stati energetici. In un mezzo laser composto da atomi, questi atomi possono esistere in due stati energetici: lo stato fondamentale e lo stato eccitato. L'energia dello stato fondamentale è inferiore a quella dello stato eccitato, quindi a temperatura ambiente il numero di atomi nello stato fondamentale è solitamente molto superiore a quello dello stato eccitato secondo il fattore Boltzmann.
È noto che all'aumentare della temperatura, alcuni atomi acquistano energia assorbendo fotoni ed entrano in uno stato eccitato. Ma anche così, quando il sistema raggiunge l’equilibrio termico, il numero di atomi nello stato eccitato (N2) non supererà mai il numero di atomi nello stato fondamentale (N1). Come puoi immaginare, questa è una sfida nell'affrontare le leggi della natura.
"L'inversione demografica può essere raggiunta solo in uno stato di non equilibrio."
Il principio del laser si basa su tre interazioni della luce: assorbimento, radiazione naturale ed emissione stimolata. Quando un raggio di luce attraversa un gruppo di atomi, se la frequenza della luce corrisponde ad una certa differenza di energia, gli atomi nello stato fondamentale assorbiranno i fotoni e passeranno allo stato eccitato. Tuttavia, questo processo è accompagnato anche dal verificarsi di emissione spontanea ed emissione stimolata, che complica il processo di scambio di fotoni. Se il numero di atomi nello stato fondamentale è elevato, predomina il processo di assorbimento, con conseguente attenuazione della luce, mentre se il numero di atomi nello stato eccitato è elevato, si verificherà un aumento della luce e la generazione di luce laser;
Questo è il motivo per cui nel processo di implementazione dei laser, sono spesso necessari metodi indiretti, come il pompaggio ottico, per ottenere un'inversione demografica duratura. Nei laser a tre o quattro livelli, eccitando selettivamente un certo livello di energia, vengono mantenuti solo pochi atomi nello stato ad alta energia, ottenendo così i vantaggi del sistema laser.
"I laser a tre e quattro livelli dimostrano diversi principi di pompaggio e amplificazione e le loro differenze di efficienza riflettono come raggiungere un equilibrio tra stati ad alta energia e stati fondamentali."
Vale la pena notare che in molti sistemi le regole di selezione limitano le possibilità di trasferimento di energia, che dobbiamo considerare quando produciamo i laser. Ad esempio, diverse sostanze possono rispondere in modo molto diverso all'emissione laser, e alcune transizioni possono essere soggette a regole di selezione governate dalla meccanica quantistica, quindi la loro luminescenza può essere ritardata da fenomeni come la fosforescenza.
In sintesi, lo stato di equilibrio termico rende scarso il numero di atomi ad alta energia, perché in questo stato il numero di atomi dello stato fondamentale è solitamente molto maggiore del numero di stati eccitati. Per rompere questo equilibrio e raggiungere la maggior parte degli stati ad alta energia, è necessario utilizzare energia esterna per azionare il sistema, ad esempio attraverso la tecnologia di pompaggio ottico. Ciò solleva una domanda cruciale: è possibile trovare modi efficaci per creare e mantenere uno stato di inversione demografica nella nostra vita quotidiana per supportare tecnologie laser più efficienti?
