Consideremos
III
, M. Scully
and W. E. Lamb Jr. Westview Press; Fifth Printing 1987 edition; January
22, 1978 ) y, a su vez, constituye un ejemplo simple de la
cuantización del campo electromagnético.
Puesto que el átomo es un sistema a dos niveles $\pars{~\ket{-}\ \mbox{y}\ \ket{+}~}$, su hamiltoniano $H_{\rm A}$ puede ser representado por la siguiente matriz $2 \times 2$:
$$ H_{\rm A} = \pars{\begin{array}{cc}E_{+} & 0 \\ 0 & E_{-}\end{array}} = {E_{+} + E_{-} \over 2} + {E_{+} - E_{-} \over 2}\,\sigma_{z}\,,\qquad \left\lbrace\begin{array}{rcl} \ket{+} & \equiv & {1 \choose 0} \\[2mm] \ket{-} & \equiv & {0 \choose 1} \end{array}\right. $$ Introduzcamos el operador $\quad b\quad $ tal que $\quad b\ket{-} = 0\quad$ y $\quad b\ket{+} = \ket{-}$: $$ b = \pars{% \begin{array}{cc} \eofm{+}{b}{+} & \eofm{+}{b}{-} \\[1mm] \eofm{-}{b}{+} & \eofm{-}{b}{-} \end{array}} = \pars{% \begin{array}{cc} 0 & 0 \\[1mm] 1 & 0 \end{array}} = {\sigma_{x} - \sigma_{y}\ic \over 2} \quad\imp\quad b\+ = {\sigma_{x} + \sigma_{y}\ic \over 2} $$ Note que \begin{align} &\left.\begin{array}{rcl} n & \equiv & b\+b\ =\ \half + \half\,\sigma_{z} \\[2mm] 1 - n & = & bb\+\ =\ \half - \half\,\sigma_{z} \\[2mm] b^{2} & = & {b\+}^{2}\ =\ 0 \end{array}\right\rbrace \quad\mbox{tal que}\quad \left\lbrace\begin{array}{rcl} \braces{b,b\+} & = & \phantom{-}1 \\[2mm] \bracks{b,b\+} & = & -\,\sigma_{z} \\[2mm] \bracks{b,\sigma_{z}} & = & \phantom{-}2b \\[2mm] \bracks{b\+,\sigma_{z}} & = & -2b\+ \\[1mm] \sigma_{z} & = & \phantom{-}2b\+b - 1\ =\ 2n - 1 \end{array}\right. \end{align} Además, $n^{2} = \pars{b\+b}^{2} = b\+b\,b\+b = b\+\pars{1 - b\+b}b = b\+b = n \imp$ que los autovalores de $n = b\+b$ son $0$ y $1$: Ello significa que $\angles{n\pars{t}} = \angles{b\+\pars{t}b\pars{t}}$ representa la probabilidad $\pp_{+}\pars{t}$ de que el átomo seencuentreen el estado excitado $\ket{+}$ en el instante $t$ puesto que $$ \angles{n\pars{t}} = \angles{b\+\pars{t}b\pars{t}} = \bracks{1 - \pp_{+}\pars{t}} \times 0 + \pp_{+}\pars{t} \times 1 = \pp_{+}\pars{t} $$ Además, con la matriz densidad $\rho\pars{t}$ se obtiene: \begin{eqnarray*} \pp_{+}\pars{t} & = & \eofm{+}{\,\rho\pars{t}}{+} = \trace\pars{\rho\pars{t}\ket{+}\bra{+}} = \trace\pars{\rho\pars{t}{1 \choose 0}\pars{1 \quad 0}} = \trace\pars{\rho\pars{t}\pars{\begin{array}{cc}1 & 0 \\ 0 & 0\end{array}}} \\[3mm] & = & \trace\pars{\rho\pars{t}\bracks{\half + \half\,\sigma_{z}}} = \trace\pars{\rho\pars{t}b\+b} = \trace\pars{\rho\pars{0}b\+\pars{t}b\pars{t}} = \angles{b\+\pars{t}b\pars{t}} = \angles{n\pars{t}} \end{eqnarray*} donde $\rho\pars{t} = {\rm U}\pars{t,0}\rho\pars{0}{\rm U}\pars{0,t}$ y $b\pars{t} = {\rm U}\pars{0,t}b{\rm U}\pars{t,0}$. Ver definiciones del operador de evolución.
En términos de $b$ y $b\+$ el hamiltoniano $H_{\rm A}$ puede ser reescrito en la forma:
Escogamos los campos eléctrico $\vec{\rm E}\pars{z,t}$ y
magnético $\vec{\rm B}\pars{z,t}$ a lo largo
de los ejes
$x$
e $y$
, respectivamente:
La energía ${\cal E}_{\rm rad}$ de la radiación libre es independiente de $t$ y viene dada por
\begin{eqnarray*} {\cal E}_{\rm rad} & = & {1 \over 8\pi}\int_{\rm cavidad}\bracks{% {\rm E}^{2}\pars{z,0} + {\rm B}^{2}\pars{z,0}}\,\dd V \\[3mm]& = & {1 \over 8\pi}\,{\cal A}\sum_{kk'}\left\lbrack\phantom{+}% \raiz{8\pi \over \Omega}M_{k}^{1/2}\omega_{k}{\rm q}_{k} \raiz{8\pi \over \Omega}M_{k'}^{1/2}\omega_{k'}{\rm q}_{k'}\ \ob{\int_{0}^{L}\sen\pars{kz}\sen\pars{k'z}\,\dd z} {\ds{\half\,L\,\delta_{kk'}}}\right. \\&&\left. \phantom{{1 \over 8\pi}\,{\cal A}\sum_{kk'}\left\lbrack\right.}+ \raiz{8\pi \over \Omega}M_{k}^{-1/2}{\rm p}_{k} \raiz{8\pi \over \Omega}M_{k'}^{-1/2}{\rm p}_{k'}\ \ob{\int_{0}^{L}\cos\pars{kz}\cos\pars{k'z}\,\dd z} {\ds{\half\,L\,\delta_{kk'}}}\right\rbrack \end{eqnarray*}Ello conduce al hamiltoniano de la radiación libre $H_{\rm R}$:
El campo electromagnético $\pars{~\vphantom{A^{A^{A}}}% {\rm E}_{x}\pars{z} \equiv {\rm E}_{x}\pars{z,0} \phantom{AA}\mbox{y}\phantom{AA} {\rm B}_{y}\pars{z} \equiv {\rm B}_{y}\pars{z,0}~}$ se reduce a
Por simplicidad consideraremos una situación donde el campo varía suavemente sobre la posición del átomo: Es decir,
consideramosfotones con longitud de onda $\lambda_{k} = 2\pi/k \gg d_{\rm a}\ \imp\ k \ll 2\pi/d_{\rm a}$. $d_{\rm a}$ es una dimensión típica del átomo.
que puede cumplirse con facilidad. Las sumas sobre $k$ se realizan hasta algún valor apropiado $k_{\rm c}$ de $k$.
La interacción del átomo con la radiación viene dada por:
$$ \mbox{}-\pars{\begin{array}{c} \eofm{+}{d_{x}}{+} & \eofm{+}{d_{x}}{-} \\[2mm] \eofm{-}{d_{x}}{+} & \eofm{-}{d_{x}}{-} \end{array}}\, {\rm E}_{x}\pars{Z} $$ Consideramos el caso simple $\eofm{\sigma}{d_{x}}{\sigma} = 0$ y $\eofm{+}{d_{x}}{-} = \eofm{-}{d_{x}}{+} \equiv \wp$ $\pars{~\mbox{con}\ \wp \in {\mathbb R}}$ tal que la interacción del átomo con la radiación se reduce a \begin{eqnarray*} &&\mbox{}-\pars{\begin{array}{c} \eofm{+}{d_{x}}{+} & \eofm{+}{d_{x}}{-} \\[2mm] \eofm{-}{d_{x}}{+} & \eofm{-}{d_{x}}{-} \end{array}}\, {\rm E}_{x}\pars{Z} = -\pars{\begin{array}{c} 0 & \wp \\[2mm] \wp & 0 \end{array}} {\rm E}_{x}\pars{Z} =-\wp\sigma_{x}{\rm E}_{x}\pars{Z} \\[3mm]&& = -\wp\ \ob{\pars{b + b\+}}{\ds{\sigma_{x}}}\ \ob{% \raiz{4\pi \over \Omega}\sum_{k}\omega_{k}^{1/2} \pars{a_{k}\+ + a_{k}}\sen\pars{kZ}}{\ds{{\rm E}_{x}\pars{Z}}} \\[3mm]&& = -{\cal V} \sum_{k}\omega_{k}^{1/2}\sen\pars{kZ}\pars{a_{k}\+b + b\+a_{k}} - \color{#f00}{{\cal V} \sum_{k}\omega_{k}^{1/2}\sen\pars{kZ}\pars{a_{k}\+b\+ + ba_{k}}} \\[2mm]\mbox{con}&& \begin{array}{|c|}\hline\\ \mbox{}\\ {\cal V} \equiv \raiz{4\pi \over \Omega}\wp\,,\qquad\hbar = 1 \\ \mbox{}\\ \hline \end{array} \end{eqnarray*} El $\color{#f00}{\mbox{último término}}$ en esta expresión no es importante si solo estamos interesados en el estudio de la absorción o/y emisión resonantes que es uno de los objetivos principales de estas notas. En la presente discusión ignoraremos $\color{#f00}{\mbox{este término}}$ lo cual se conoce como la Aproximación de la Onda Rotante.En conclusión, la interacción átomo-radiación se reduce, en la Aproximación de la Onda Rotante, a
Con \eqref{HA}, \eqref{HR} y \eqref{HAR} el hamiltoniano del sistema en estudio viene dado por:
algunas dificultadesa pesar de que es bilineal:
Una versión reducida es conocida como Hamiltoniano de
Rabi ( ver
The Canonical Form of the Rabi Hamiltonian. M. Szopa,
G. Mys and A. Ceulemans. 1996 ) el cual luce
inocentemente simple
:
no lo es: Revise el artículo mencionado arriba.
El estudio mecánico-cuántico de la absorción y
emisión espontanea o inducida de radiación por un
átomo es de vieja data
. Por ejm, Weisskopf y Wigner
iniciaron el estudio de la emisión espontánea en
1930 ( Calculating the Natural Linewidth due to the
Dirac Theory of Light . V. F. Weisskopf and E. Wigner, 1930, Z.
Phys. 63, 54 ). Para un resumen de la
aproximación de Weisskopf-Wigner
ver este enlace.
Otro modelo, ampliamente usado en Óptica Cuántica, que se relaciona con el contenido de esta sección viene dado por el hamiltoniano de Jaynes–Cummings ( Comparison of Quantum and Semiclassical Radiation Theories with Application to the Beam Maser. Jaynes E. T. and Cummings F. W. Proc. IEEE 51 (1): 89–109 ( 1963 ) ). Un resumen pedagógico puede consultarse en Wikipedia y en Johansson and Bauch.
Ver también, Lifetime of Excited States and Width of
Energy Levels en Quantum Mechanics, A. S. Davydov, Pergamon Press
Ltd. 1968, Capítulo IX
,
pág. 309.