Теория:
1. Спонтанное и вынужденное излучение
Процессы поглащения и испускания света атомами, описанные ранее, могут протекать по-разному в зависимости от внешних условий. Различают два типа излучения: спонтанное (самопроизвольное) и вынужденное (индуцированное).
Спонтанное излучение возникает, когда атом, находящийся в возбужденном состоянии (например, на уровне \(E_m\)), самопроизвольно переходит на более низкий энергетический уровень (например, \(E_n\), испуская при этом фотон. Этот процесс является случайным во времени и не требует внешнего воздействия. Излучение различных атомов при спонтанных переходах происходит некогерентно: фотоны испускаются в разных направлениях, имеют случайную начальную фазу и поляризацию. Именно так светят обычные источники (лампы накаливания, газоразрядные трубки). Время жизни атома в возбужденном состоянии определяется вероятностью такого перехода.
\(Вынужденное\) \((индуцированное)\) \(излучение\) — это принципиально другой процесс. Если атом уже находится в возбужденном состоянии (\(E_m\)) и на него падает фотон, частота которого \(\nu\) соответствует разности энергий \(E_m-E_n\), то под действием этого внешнего фотона атом может перейти вниз, испустив второй фотон. Ключевая особенность этого процесса заключается в том, что испущенный фотон является точной копией падающего: он имеет ту же частоту, фазу, направление распространения и поляризацию. Таким образом, происходит усиление света: один фотон, взаимодействуя с возбужденным атомом, порождает два идентичных фотона. Этот эффект лежит в основе работы всех лазеров.
2. Технические устройства и практическое применение: лазер, квантовый компьютер
Открытие вынужденного излучения привело к созданию уникальных устройств, изменивших облик современной цивилизации.
\(Лазер\) (оптический квантовый генератор). Для практического использования вынужденного излучения необходимо создать среду, в которой число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в основном состоянии (так называется инверсия населенности). В обычных условиях атомы стремятся находится внизу. Инверсию создают с помощью источников энергии — «накачки» (мощные лампы, электрический разряд). Когда фотон, возникший при спонтанном переходе, пролетает через такую среду, он лавинообразно вызывает вынужденные переходы у других возбужденных атомов. Чтобы лавина нарастала, активную среду помещают в оптический резонатор — систему из двух зеркал. Фотоны, многократно отражаясь, проходят через среду снова и снова, усиливаясь. Одно из зеркал делается полупрозрачным, и через него выходит мощный узконаправленный пучок когерентного света.
Свойства лазерного излучения:
- Когерентность (строгая согласованность волн во времени и пространстве).
- Монохроматичность (практически одна частота).
- Огромная интенсивность и малая расходимость пучка.
Благодаря этим свойствам лазеры применяются повсеместно: в медицине (хирургия, коррекция зрения), в промышленности (резка, сварка металлов), в быту (принтеры, считыватели штрих-кодов), в науке и технике (лазерная локация, связь).
\(Квантовый\) \(компьютер\). Это устройство, работа которого основана на принципах квантовой физики. Если в классическом компьютере информация хранится в битах (\(0\) или \(1\)), то в квантовом компьютере используются кубиты (квантовые биты). Кубит может находится не только в состояниях \(0\) или \(1\), но и в их суперпозиции — то есть одновременно и в \(0\), и в \(1\) с определенной вероятностью. Это позволяет проводить вычисления со всеми возможными состояниями кубита параллельно, что дает колоссальный выигрыш в производительности для определенных классов задач. Физически кубиты реализуются на различных объектах: ионах в ловушках, сверхпроводящих цепях или дефектах в кристаллах, где квантовые состояния (уровни энергии) играют роль \(0\) или \(1\). Управление состояниями кубитов и считывание информации происходит с помощью лазерных импульсов и явлений вынужденного излучения. Квантовые компьютеры обещают революцию в крипографии, создании новых материалов и лекарств, моделировании сложных химических реакций.