Electronică cuantică

Electronica cuantică este un domeniu al fizicii care studiază metode de amplificare și generare a radiațiilor electromagnetice bazate pe utilizarea fenomenului de emisie stimulată în sisteme cuantice de neechilibru , precum și proprietățile amplificatoarelor și generatoarelor obținute în acest mod și aplicarea lor în dispozitive electronice. .

Bazele fizice ale electronicii cuantice

Din punctul de vedere al electronicii clasice, generarea radiației electromagnetice se realizează datorită energiei cinetice a electronilor liberi care se deplasează în mod concertat într-un circuit oscilator . În conformitate cu conceptele electronicii cuantice, energia radiației este preluată din energia internă a sistemelor cuantice ( atomi , molecule , ioni ), eliberată în timpul tranzițiilor radiative între nivelurile sale de energie . Există două tipuri de tranziții radiative - emisia spontană și emisia stimulată . Cu emisie spontană, un sistem excitat spontan, fără influențe externe, emite un foton , ale cărui caracteristici ( frecvență , polarizare , direcție de propagare) nu sunt în niciun fel legate de caracteristicile fotonilor emiși de alte particule. O situație fundamental diferită se observă în cazul emisiei stimulate a unui foton sub influența radiației externe de aceeași frecvență. În acest caz, se formează un foton cu exact aceleași proprietăți ca cele ale fotonilor care i-au cauzat apariția, adică se formează o radiație coerentă . În cele din urmă, există un proces de absorbție a fotonilor din radiația externă, care este opus emisiei stimulate.

De obicei, absorbția predomină asupra emisiei stimulate. Dacă s-ar putea realiza situația opusă, unda externă inițială (forțare) ar fi întărită în substanță. Luați în considerare tranzițiile între nivelurile de energie și , caracterizate prin frecvență , astfel încât ( este constanta lui Planck ). Probabilitățile de tranziție sunt definite prin așa-numitele. coeficienții Einstein și : $E_{i}$ $E_k$ $\nu$ $h\nu =E_{i}-E_{k}^{}$ $h$ $A$ $B$

pentru tranziții spontane , $w_{ik}^{s}=A_{ik}$
pentru absorbtie , $w_{ki}=B_{ki}\rho _{\nu }^{}$
pentru emisia stimulată ( este densitatea energiei volumetrice spectrală). $w_{ik}=B_{ik}\rho _{\nu }^{}$ $\rho _{\nu }^{}$

În acest caz , (nivelurile sunt presupuse a fi nedegenerate ). Modificarea densității de energie a unei unde electromagnetice este egală cu diferența dintre energia emisă și absorbită în procesele forțate și este proporțională cu diferența dintre populațiile de nivel: $A_{ik}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ik}$ $B_{ki}=B_{ik}={\frac {32\pi ^{3}}{3}}{\frac {d_{ik}^{2}}{h^{2}}}$

(n_{i}-n_{k})h\nu B_{ik}\rho _{\nu }^{}

Într-o stare de echilibru termodinamic, populațiile urmează distribuția Boltzmann, astfel încât

n_{i}=n_{k}\exp {(-h\nu /kT)}<n_{k}^{}

prin urmare, energia este absorbită de sistem și unda este atenuată. Pentru ca unda să fie amplificată, este necesar ca condiția să fie îndeplinită , adică sistemul este într-o stare de neechilibru. O astfel de situație, când populația de la nivelul superior este mai mare decât cea de jos, se numește inversare a populației , sau un sistem cu o temperatură negativă . Această stare a sistemului este caracterizată de o valoare negativă a indicelui de absorbție , adică unda electromagnetică este amplificată. $n_{i}>n_{k}^{}$

Puteți crea o inversare a populației doar cheltuind energie - așa-numita energie a pompei . Un mediu cu inversare a populației se numește activ. Astfel, este posibil să se obțină o amplificare coerentă a radiației în mediul activ. Pentru a transforma amplificatorul într- un generator , este necesar să plasați mediul într-un sistem de feedback pozitiv care returnează o parte din radiație înapoi în mediu. Pentru a crea feedback, se folosesc rezonatoare volumetrice și deschise . În cele din urmă, pentru a crea o generare stabilă, este necesară depășirea energiei de emisie stimulată asupra pierderilor de energie ( împrăștiere , încălzire a mediului, radiații utile), ceea ce duce la cerința ca puterea pompei să depășească o anumită valoare de prag.

Teoria fenomenologică a lui Einstein a fost construită pentru cazul în care emițătorul se află în spațiul liber și care radiază într-un număr infinit de moduri spațiale. Când plasați un emițător într-un spațiu cu un număr limitat de moduri, se modifică coeficienții Einstein , vezi articolul despre factorul Purcell $A_{ik}, B_{ik}$

Din istoria electronicii cuantice

Fundal

Conceptul de emisie stimulată a fost introdus de A. Einstein în 1917 pe baza unor considerații termodinamice și a fost folosit pentru a obține formula lui Planck . În 1940, V. A. Fabrikant a sugerat utilizarea emisiei stimulate pentru a amplifica lumina, dar această idee nu a fost apreciată în acel moment. Precursorul imediat al electronicii cuantice a fost spectroscopia radio , care a oferit multe metode experimentale de lucru cu fascicule moleculare și atomice ( I. Rabi , 1937 ) și a stabilit sarcina de a crea standarde de frecvență cuantică și de timp . Tot în 1944, E.K. Zavoisky a descoperit rezonanța paramagnetică a electronilor .

Masers

Data nașterii electronicii cuantice poate fi considerată 1954 , când N. G. Basov și A. M. Prokhorov în URSS și independent J. Gordon, H. Zeiger și C. Townes în Statele Unite au creat primul generator cuantic ( maser ) bazat pe molecule de amoniac . Generarea în el se realizează la o lungime de undă de 1,25 cm, corespunzătoare tranzițiilor între stările de molecule cu o structură simetrică în oglindă . Inversarea populației este realizată datorită separării spațiale a moleculelor excitate și neexcitate într-un câmp electric foarte neomogen (vezi efectul Stark ). Fasciculul molecular sortat este trecut printr- un rezonator cu cavitate , care servește la implementarea feedback-ului. Ulterior, au fost create și alți generatori moleculari, cum ar fi maserul cu fascicul de hidrogen . Masere moderne fac posibilă obținerea stabilității frecvenței , ceea ce face posibilă crearea de ceasuri ultra-precise . $\Delta \nu /\nu \aproximativ 10^{-11}-10^{-13}$

Următorul pas important în dezvoltarea electronicii cuantice a fost metoda cu trei niveluri propusă în 1955 de N. G. Basov și A. M. Prokhorov , care a făcut posibilă simplificarea semnificativă a realizării inversării și utilizarea pomparii optice în acest scop . Pe această bază, în 1957 - 1958, G. E. D. Skovil (HED Scovil) și alții au creat amplificatoare cuantice bazate pe cristale paramagnetice (de exemplu, rubin ), care funcționează în domeniul radio.

Lasere

Pentru avansarea generatoarelor cuantice în regiunea frecvențelor optice, ideea lui A. M. Prokhorov privind utilizarea rezonatoarelor deschise (un sistem de oglinzi paralele, ca în rezonatorul Fabry-Perot ), care este extrem de convenabil pentru pompare , sa întors. a fi important . Primul laser pe un cristal de rubin , care a emis radiații la o lungime de undă de 0,6934 μm, a fost creat de Th. Maiman în 1960 . Pomparea optică în acesta este implementată folosind lămpi cu descărcare în gaze pulsate . Laserul rubin a fost primul laser cu stare solidă, iar laserele pe bază de sticlă de neodim și cristale de granat de neodim (lungime de undă 1,06 μm) ies în evidență. Laserele cu stare solidă au făcut posibilă obținerea de impulsuri de lumină scurte și ultrascurte de mare putere în circuitele de comutare Q și de blocare a modului rezonator . $10^{{-9}}$ $10^{-12}$

Curând A. Javan a creat primul laser cu gaz bazat pe un amestec de atomi de heliu și neon (lungime de undă 0,6328 μm). Pomparea în el se realizează prin impactul electronilor într-o descărcare de gaz și prin transferul de energie rezonantă de la gazul auxiliar (în acest caz, heliu ) la cel principal ( neon ). Printre alte tipuri de lasere cu gaz , lasere puternice cu dioxid de carbon (lungime de undă 10,6 μm, gaze auxiliare - azot și heliu ), lasere cu argon (0,4880 și 0,5145 μm), laser cu cadmiu (0,4416 și 0,3250 microni), laser cu vapori de cupru (pompare) din cauza degradarii moleculelor în starea fundamentală), lasere chimice (pompare din cauza reacțiilor chimice , de exemplu, o reacție în lanț a compușilor fluor - hidrogen ).

În 1958, N. G. Basov , B. M. Vul și Yu. M. Popov au pus bazele teoriei laserelor semiconductoare și deja în 1962 a fost creat primul laser de injecție [R. Hall (RN Hall), W. Dumke (WL Dumke) și alții] Interesul față de ele se datorează ușurinței de fabricare, eficienței ridicate și posibilității de reglare lină a frecvenței pe o gamă largă (lungimea de undă a radiației este determinată de bandă ). gol ). Un alt rezultat semnificativ este crearea în 1968 a laserelor bazate pe heterostructuri semiconductoare .

La sfârșitul anilor 1960, au fost dezvoltate și create lasere cu molecule de colorant organic , care au o bandă de câștig extrem de largă, ceea ce face posibilă reglarea fără probleme a frecvenței de generare atunci când se utilizează elemente dispersive ( prisme , rețele de difracție ). Un set de mai multe coloranți vă permite să acoperiți întreaga gamă optică.

Aplicații ale electronicii cuantice

Maserii au făcut posibilă îmbunătățirea sensibilității și stabilității dispozitivelor radio, care și-au găsit aplicații în radioastronomie (descoperirea fondului cosmic cu microunde și a hidrogenului interstelar ) și în comunicațiile spațiale .
Laserele au făcut posibilă obținerea unor intensități ale câmpului electric comparabile cu cele intraatomice, la care proprietățile materiei încep să depindă de intensitatea undei luminoase : apar efectele opticii neliniare . Ele permit studierea materiei și controlul caracteristicilor unui fascicul de lumină ( procese multifotonice , fenomene de saturație și albire rezonantă , generarea de armonici , frecvențe de sumă și diferență, generarea parametrică a luminii , fenomene de autofocalizare , difuzarea stimulată a luminii etc.)
Laserele sunt folosite pentru a crea și controla plasme de înaltă temperatură , inclusiv în scopul fuziunii termonucleare .
Electronica cuantică a dus la o creștere semnificativă a rezoluției sistemelor spectroscopice ( spectroscopie laser ).
Monocromaticitatea radiației laser face posibilă afectarea selectivă a unei substanțe, care este utilizată în fotochimie și fotobiologie , curățarea cu laser și separarea izotopilor laser .
Utilizarea electronicii cuantice în metrologie pentru a crea standarde de frecvență și timp cuantice , telemetru laser , sisteme de analiză chimică la distanță, localizare laser .
Laserele sunt utilizate pe scară largă în comunicațiile optice și sistemele de procesare a informațiilor , care combină principiile fibrei optice și integrate .
Gradul ridicat de coerență al surselor laser a făcut posibilă implementarea ideii de holografie și dispozitive holografice.
Laserele au multe aplicații în medicină ( chirurgie , oftalmologie etc.) și tehnologie ( sudura , tăiere etc.).

Literatură

Informații generale și literatură populară

Electronica cuantică: Mica Enciclopedie. — M.: SE, 1969.
A. Pekar . Un nou aspect pentru optică. — M.: Radio sovietică, 1973.
N. V. Karlov . Electronica cuantică. // Fizica microcosmosului: Mica Enciclopedie. - M.: SE, 1980. - S. 200-217.
M. E. Zhabotinsky. Electronica cuantică. Arhivat 4 octombrie 2009 la Wayback Machine // Physical Encyclopedia. - T. 2 - M .: SE, 1990. - S. 319-320.

Monografii

N. V. Karlov , A. A. Manenkov. amplificatoare cuantice. — M.: 1966.
N. Blombergen . Optică neliniară. — M.: 1966.
V. V. Grigoryants, M. E. Zhabotinsky, V. F. Zolin. Standarde de frecvență cuantică. — M.: 1968
R. Pantel, G. Puthoff. Fundamentele electronicii cuantice. — M.: Mir, 1972.
F. Zernike, J. Midwinter. Optică neliniară aplicată. — M.: Mir, 1976.
A. Yariv. Electronica cuantică. — M.: Radio sovietică, 1980.
S. A. Akhmanov și N. I. Koroteev Metode de optică neliniară în spectroscopie de difuzare a luminii. — M.: 1981.
O. Zvelto. Principiile laserelor. — M.: Mir, 1984.
I. R. Shen. Principiile opticii neliniare. — M.: 1989.

Articole

A. M. Prohorov , N. G. Basov . Generator și amplificator molecular //UFN. —1955. -T. 57,nr 3. -S. 485-501.
A. M. Prohorov . Electronică cuantică // UFN . - 1965. - T. 85 , nr. 4 . - S. 599-604 .
A. Şavlov . Generatoare cuantice optice moderne // UFN . - 1963. - T. 81 , nr 12 .
N. G. Basov . Generatoare cuantice semiconductoare // UFN . - 1965. - T. 85 , nr. 4 .
C. Oraşe . Obținerea radiațiilor coerente cu ajutorul atomilor și moleculelor // UFN . - 1966. - T. 88 , nr 3 .
C. Oraşe . Electronica cuantică și progresul tehnic // UFN . - 1969. - T. 98 , nr 5 .
N. V. Karlov , A. M. Prohorov . Separarea izotopilor cu laser //UFN. —1976. -T. 118,nr 4. -S. 583-609.
A. M. Prohorov , N. V. Karlov . Electronica cuantică și teoria radiațiilor a lui Einstein // UFN . - 1979. - T. 128 , nr 3 .
A. M. Prohorov . La cea de-a 25-a aniversare a laserului // UFN . - 1986. - T. 148 , nr 1 .
A. A. MANENKOV Despre rolul rezonanței paramagnetice electronice în formarea și dezvoltarea electronicii cuantice: fapte și comentarii // Phys . - 2006. - T. 176 , nr 6 .

Link -uri

Journal of Quantum Electronics Arhivat la 3 aprilie 2007 la Wayback Machine .
Termeni și cărți electronice Quantum Electronics Arhivat la 10 aprilie 2009 la Wayback Machine .

Dicționare și enciclopedii	Rusă mare
În cataloagele bibliografice	NDL : 00569866 NKC : ph520068