Динамика девозбуждения вырожденного двухуровнего атома вблизи (или внутри) материального тела

Предложен общий подход к описанию релаксации возбужденного состояния атома, находящегося вблизи (или внутри) материального тела. В этом подходе учтена вырожденность состояний реальных атомов по вращательным степеням свободы, что до сих пор в теоретических работах не было сделано. Показано, что из-за вырожденности атомных состояний динамика девозбуждения является не экспоненциальной, как считалось раньше, а описывается связанной системой дифференциальных уравнений для так называемых мультипольных моментов (мультиполей) возбужденного состояния. Количество мультиполей, вовлеченных в процесс девозбуждения атомного состояния, пропорционально его угловому моменту. Установлено, что динамика девозбуждения различна для разных типов возбуждения атома. В частности, при возбуждении атома светом она зависит от его поляризации и направления распространения. Показано однако, что для атома с угловым моментом возбужденного состояния, равным 1/2, такой зависимости нет. В этом случае динамика девозбуждения является экспоненциальной. Для системы с аксиальной симметрией (например, полуплоскость или сферическая частица) она будет также экспоненциальной для атома с угловыми моментами верхнего и нижнего уровня J_m=1 и J_n=0 соответственно и линейной поляризации возбуждающего света, направленной вдоль или ортогонально оси симметрии (а также для круговой поляризации света, распространяющегося вдоль оси симметрии). В этих случаях как возбуждение, так и девозбуждение идет по одному и тому же единственному пути в подходящей системе координат (см. рис. 1). Последний исключительный случай простого экспоненциального распада возбуждения демонстрирует атом с J_m = 3/2 , J_n = 1/2 при возбуждении его светом линейной поляризации вдоль оси симметрии. Во всех же остальных случаях динамика девозбуждения является более сложной (см. рис. 2).

Рис. 1. Возбуждение атома с Jm=1, Jn=0 светом линейной поляризации, направленной вдоль оси симметрии Z, ω и ωf - частоты возбуждающего света и девозбуждения соответственно, JmZ – проекция углового момента возбужденного уровня m на ось Z. Такая же картина будет и для возбуждения атома светом линейной поляризации, направленной ортогонально оси симметрии, в системе координат с осью Z, направленной вдоль поляризации возбуждающего света.

Рис. 2. Зависимость населенности возбужденного уровня атома с Jm=1, Jn=0 от времени после возбуждения (отн. ед.) для различных ориентаций линейной поляризации возбуждающего света относительно оси симметрии: кривые 1, 2 и 3 отвечают ориентациям поляризации под углами соответственно 30°, 90° и 0°. Расчеты проведены для атома в ближней зоне от границы плоской поверхности, в условиях доминирования безрадиационной релаксации.

Публикации

Nikolaev G. Deexcitation Dynamics of a Degenerate Two-Level Atom near (Inside) a Body. - In: Smart Nanoparticles Technology. Abbass Hashim (Ed.). InTech, 2012. ISBN: 978-953-51-0500-8.