Σήμερα θα μελετήσουμε τις αρμονικές του φωτός και πώς αυτές δημιουργούνται.
.
Στη Φυσική, τα λέιζερ (laser) είναι κάτι περισσότερο από απλές ακτίνες φωτός- είναι «εργαλεία» που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα ίδια τα άτομα που συναντούν. Έχουμε ήδη μελετήσει πώς χρησιμοποιούνται τα laser για να δημιουργήσουμε ολογράμματα. Ένα άλλο συναρπαστικό φαινόμενο είναι η δημιουργία αρμονικών στο φως των λέιζερ, όταν αυτό αλληλεπιδρά με τα άτομα ενός αερίου. Πώς όμως συμβαίνει αυτός ο περίπλοκος «χορός» μεταξύ φωτός και ύλης; Ας το αναλύσουμε.
.
Κατ’ αρχάς, ας θεωρήσουμε ένα ηλεκτρόνιο συνδεδεμένο με τον πυρήνα ενός ατόμου. Αυτό το ηλεκτρόνιο είναι παγιδευμένο σε ένα “ενεργειακό πηγάδι”, που δημιουργείται από το ηλεκτρικό πεδίο του ατόμου. Με απλούστερους όρους, το ηλεκτρόνιο δεν έχει αρκετή ενέργεια για να ξεφύγει από το άτομο του.
.
Όταν μια δέσμη λέιζερ αλληλεπιδρά με ένα άτομο, παραμορφώνει το ηλεκτρικό πεδίο του ατόμου. Αυτή η παραμόρφωση στενεύει το φράγμα που συγκρατεί το ηλεκτρόνιο στη θέση του. Χάρη στις αρχές της κβαντομηχανικής, το ηλεκτρόνιο μπορεί να “περάσει” μέσα από αυτό το φράγμα και να διαφύγει (quantum tunneling).
.
Μόλις ελευθερωθεί, το ηλεκτρόνιο εξακολουθεί να βρίσκεται υπό την επίδραση του πεδίου λέιζερ, κερδίζοντας επιπλέον ενέργεια καθώς κινείται. Ωστόσο, τα λέιζερ δεν είναι σταθερά- τα πεδία τους αλλάζουν κατεύθυνση. Όταν συμβαίνει αυτό, το ηλεκτρόνιο τραβιέται πίσω προς το άτομο από το οποίο προήλθε.
.
Καθώς το ηλεκτρόνιο επανασυνδέεται με τον πυρήνα του ατόμου, πρέπει να αποβάλει την επιπλέον ενέργεια που απέκτησε κατά τη διάρκεια της απόδρασής του. Η ενέργεια αυτή εκπέμπεται ως υπεριώδης λάμψη. Το μήκος κύματος αυτής της λάμψης συνδέεται με αυτό του πεδίου λέιζερ και ποικίλλει ανάλογα με το πόσο μακριά ταξίδεψε το ηλεκτρόνιο.
.
Η διαδικασία αυτή όχι μόνο δημιουργεί αρμονικές στο φως του λέιζερ, αλλά παρέχει επίσης ανεκτίμητες πληροφορίες για την κβαντική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων και των ατόμων. Είναι άλλο ένα παράδειγμα του πώς ο μικροσκοπικός κόσμος λειτουργεί με κανόνες που μπορεί να μας φαίνονται παράξενοι αλλά είναι απολύτως λογικοί στη Κβαντική Φυσική.
.
Έχοντας μιλήσει για τις αρμονικές του φωτός, είμαστε έτοιμοι να συζητήσουμε για το Nobel Φυσικής 2023.