Atomi eccitati da laser

Quando un laser eccita gli atomi di un fascio atomico di calcio, impone a un elettrone di ogni atomo di saltare due livelli energetici emettendo, a volte, due fotoni correlati. Potrebbe succedere che l'elettrone scenda di tre livelli energetici? Se sì, i fotoni entanglement diventerebbero tre?
Luciano Fioriani
17 febbraio 2005
In generale, quando un fascio laser ha una frequenza risonante con una delle transizioni energetiche di un atomo, quest'ultimo viene eccitato nel livello superiore di tale transizione. Poi, l'atomo si diseccita (in genere in un tempo dell'ordine delle decine di nanosecondi) tornando allo stato fondamentale o più in generale allo stato di partenza, emettendo un fotone della stessa energia di quello laser incidente (emissione spontanea), ma scorrelato rispetto al fotone laser. Infatti, il fotone emesso ha una polarizzazione arbitraria rispetto a quella del fotone incidente.

Nell'esperimento di Aspect, di cui uno schema è rappresentato in figura, l'atomo viene eccitato mediante una transizione a due fotoni dallo stato fondamentale 4s2 (2 elettroni nella shell 4s) allo stato eccitato 4p2 (2 elettroni nella shell 4p).
Nel diseccitarsi alcuni degli atomi saltano sul livello intermedio 4s4p (1 elettrone in shell 4s e 1 elettrone in shell 4p) prima di tornare allo stato fondamentale, emettendo così un fotone di energia v1 e un fotone di energia v2.
In questo caso i fotoni di energia v1 e v2 sono tra di loro correlati in polarizzazione (ma non rispetto ai fotoni laser incidenti) e ciò si esprime dicendo che i fotoni sono entangled (ciò accade perchè l'atomo è sempre coerente con se stesso).

Ovviamente il discorso si può generalizzare a più livelli. Nel caso del calcio, per esempio, è sufficiente (almeno trascurando eventuali limiti sperimentali) eccitare gli atomi al livello energetico immediatamente più alto rispetto al 4p2 e osservare il decadimento di tre fotoni (è ovvio, però, tale processo di diseccitamento diventa sempre meno probabile). In generale, il processo di diseccitamento diretto allo stato fondamentale è sempre molto più probabile rispetto al diseccitamento a step.

Pasquale Maddaloni Istituto Nazionale di Ottica Applicata, Napoli

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