Una cavidad que consiste de placas paralelas, de área
transversal ${\cal A}$, perfectamente reflectoras ( el campo
eléctrico se anula sobre ellas ) localizadas en $z = 0$
y $z = L > 0$.
Un átomo a dos niveles $\ket{\pm}$, con
energías $E_{\pm}$
$\pars{~E_{+} \geq E_{-}\,,\ \Delta \equiv E_{+} - E_{-} \geq 0~}$,
localizado en $\pars{0,0,Z}$ con $0 < Z < L$ y
$\pars{~\vphantom{\Large A}\braketd{\sigma}{\sigma'}
= \delta_{\sigma\sigma'};\
\sigma, \sigma' \in \braces{-,+}~}$.
Ver la figura siguiente:
El Átomo
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 se encuentre en 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:
Las ecuaciones de Maxwell
$\ds{\nabla\times\vec{\rm E}\pars{z,t} =
-\,{1 \over c}\,\partiald{\vec{\rm B}\pars{z,t}}{t}}$
y
$\ds{\nabla\times\vec{\rm B}\pars{z,t} =
{1 \over c}\,\partiald{\vec{\rm E}\pars{z,t}}{t}}$ conducen,
respectivamente, a
\begin{align*}
\hat{y}\raiz{8\pi \over \Omega}
\sum_{k}M_{k}^{1/2}\omega_{k}{\rm q}_{k}\pars{t}
\bracks{\cos\pars{kz}k} &=
\hat{y}\raiz{8\pi \over \Omega}\sum_{k}M_{k}^{-1/2}
\bracks{-\,{\dot{\rm p}_{k}\pars{t} \over c}}\,
\cos\pars{kz}
\\[3mm]
-\hat{x}\raiz{8\pi \over \Omega}
\sum_{k}M_{k}^{-1/2}{\rm p}_{k}\pars{t}
\bracks{-\sen\pars{kz}k} &=
\hat{x}\raiz{8\pi \over \Omega}
\sum_{k}M_{k}^{1/2}\omega_{k}\,
{\dot{\rm q}_{k}\pars{t} \over c}\sen\pars{kz}
\end{align*}
De estas relaciones se infiere que
$\braces{{\rm q}_{k}\pars{t},{\rm p}_{k}\pars{t}}$ satisfacen las
ecuaciones de movimiento, para cada $k$, de un oscilador
armónico simple de masa $M_{k}$ y frecuencia angular
$\omega_{k}$ ( con constante de Hooke
$M_{k}\omega_{k}^{2}$ ):
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,
Solo consideramos fotones 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.
Ello corresponde a fotones con energías
$$
\hbar\omega_{k} = \hbar ck \ll {hc \over d_{\rm a}}
= {h/\pars{mc} \over d_{\rm a}}\,mc^{2}\,,\quad
\left\vert\begin{array}{rcl}
m &:& \mbox{Masa del Electrón.}&&
\\[3mm]
{h \over mc} &:& \mbox{Longitud de Onda}
\\&& \mbox{de Compton}\ \sim 10^{-2} Å
\\[3mm]
d_{\rm a} & \sim & Å
\\[3mm]
mc^{2} & \sim & 0.5\ {\rm MeV} \sim 10^{5}\ {\rm eV}
\\&& \sim \kb\pars{10^{9} \kelvin}
\end{array}\right.
$$
$$
\begin{array}{|c|}\hline\mbox{}\\
\hbar\omega_{k} \ll \kb\pars{10^{7} \kelvin}
\\ \mbox{}\\ \hline
\end{array}
$$
Por ejm, en equilibrio termodinámico ello requiere
temperaturas $\ll 10^{7}\kelvin$ lo cual es un requisito
que puede cumplirse con facilidad. Las sumas sobre $k$ se
realizan hasta algún valor apropiado $k_{\rm c}$ de
$k$.
En la aproximación de longitudes de onda muy grandes,
discutida arriba, la interacción se reduce a
$-\,\vec{d}\cdot\vec{\rm E}\pars{Z} = -d_{x}{\rm E}_{x}\pars{Z}$
( Aproximación Dipolar Eléctrica o/y
Hamiltoniano de Rabi ) donde $\vec{d}$ es el momento
dipolar eléctrico del átomo. La forma particular de
la interacción involucra algunas hipótesis particulares
acerca de la estructura interna del átomo en
consideración las cuales, por simplicidad, no discutimos en
estas notas: Algunas hipótesis adicionales aparecen en la
discusión que sigue a continuación.
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
El hamiltoniano presenta algunas dificultades a pesar de
que es bilineal:
Si consideramos a $b$ y $b\+$ como operadores fermiónicos
$$
b\ \mbox{y}\ b\+\quad\mbox{satisfacen}\quad\braces{b,b\+} = 1\,,\quad
\braces{b,b} = 0\,,\quad\braces{b\+,b\+} = 0\,,
$$
el hamiltoniano describe un gas de fermiones en interacción
con un gas de bosones.
Otra alternativa es usar funciones de Green-Keldysh de caracter
bosónico pero $b$ y $b\+$ ${\large no}$ satisfacen
las reglas de conmutación bosónicas puesto que
$\bracks{b,b\+} = -\sigma_{z}$.
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.