spettroscopia coerente

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SPETTROSCOPIA COERENTE

SPETTROSCOPIA COERENTE Eccitazione coerente di 2 livelli

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sovrapposizione coerente di radiazione spettroscopia di incrocio dei livelli spettroscopia dei battimenti quantistici altera la distribuzione spaziale della radiazione

Eccitazione coerente di atomi e molecole

eco del fotone altera la distribuzione temporale della radiazione

SPETTROSCOPIA DI INCROCIO DI LIVELLI EFFETTO HANLE

La radiazione risonante diffusa da atomi in un debole campo magnetico subisce variazioni sia in intensità che nella direzione della polarizzazione .

3 P 2 3 P 1 ← 3 S 1 ← 3 S 1 3 P 2 3 P 1 ← 3 S 1 ← 3 S 1

Spettroscopia di incrocio di livelli Spettroscopia priva di effetto Doppler Determinazione di proprietà magnetiche Determinazione dei tempi di rilassamento

BATTIMENTI QUANTISTICI

Se 2 livelli molto vicini sono simultaneamente eccitati, la fluorescenza presenta delle oscillazioni Trasformata di Fourier dei battimenti → frequenza (senza effetto Doppler) della transizione tra i livelli da cui sono emesse le due frequenze.

I dispositivi per la raccolta di un segnale in funzione del tempo hanno tempi di risposta limitati dell'ordine di GHz, cioè del nanosecondo, solo livelli molto vicini possono dare battimenti osservabili.

livelli separati per interazione iperfine legata alla presenza dello spin nucleare Spettro 137 Ba + 6s S 1/2

I = 3/2 6p P 3/2 Trasformata di Fourier

5 133

Cs I = 7/2

7 2 P 3/2 6 2 S 1/2

Battimenti quantistici

Determinazione di livelli energetici con piccola separazione di energia Atomi : struttura iperfine Molecole : effetto Stark, Zeeman, costanti rotazionali Spettroscopia priva di effetto Doppler

TRANSIENTI OTTICI COERENTI

Nutazione

Decadimento libero da induzione

Eco

Eco stimolato

Matrice Densità

Stato di un sistema al tempo t:

t

 

n n

ortonormal e

Contiene fattori di fase dipendenti dal tempo.

n n

2

1

t normalizza to

Operatore Densità

 

t t

Matrice densità nell’insieme di base Elementi di matrice:

ij

(

t

)

 

i i t

(

t

)

t j j

Sistema di due stati:

t

C t

1 ( ) 1

C t

2 ( ) 2

2   0 /2  E =   0

Elementi di matrice della matrice densità 2×2:

11

1

t t

1

1

C

1 1

C

2 2

 

11

1 *

C

1 * 1

C

2 * 2

12

 

12

1

t t

2 * 2 1

21

 

21

2

t t

1 * 1

1   0 /2

I fattori di fase dipendenti dal tempo si cancellano. Si ha sempre il ket con il suo complesso coniugato bra.

22

22

 

2

t t

2 * 2

Matrice Densità 2x2:

 

1 * * 1 * 2 2 *

 

C

1

C

1 *  Probabilit a' di trovare il sistema nello stato 1

C

2

C

2 *  Probabilit a' di trovare il sistema nello stato 2

Elementi diagonali = popolazioni

probabilità di trovare il sistema nei vari stati Elementi fuori diagonale = coerenze

Copyright – Michael D. Fayer, 2007

Per una molecola in un campo di radiazione:

H

H

0 

H

'

indipendente dal tempo dipendente dal tempo

H

0  Hamiltonia

H

' no molecolare  interazion e molecola  campo elettromag netico

H

0

n

E n n

t

 

n n

Polarizzazione

P

     

C

1 (

t

) 1 

C

2 (

t

) 2  

C

1

C

1 *

C

2  12 1 1   2 2 

C

2 *

C

1   21 2 2  1  1 (

t

)  1 

C

2 (

t

) 2  

Gli elementi fuori diagonale (coerenze) determinano la polarizzazione

NUTAZIONE OTTICA DECADIMENTO LIBERO DA INDUZIONE Sistema in equilibrio nel vuoto. Introduciamo radiazione che induce transizione tra 2 livelli: assorbimento, emissione e meccanismi non radiativi portano ad una nuova situazione di equilibrio. La polarizzazione del campione oscilla prima di raggiungere lo stato stazionario → oscillazioni nell'assorbimento su scale di tempi molto brevi: nutazione ottica.

Togliamo la radiazione che induceva transizione tra 2 livelli → la polarizzazione decade su scale di tempi molto brevi: decadimento libero da induzione.

NUTAZIONE

NUTAZIONE OTTICA NH 3 J = 8 K = 7 EFFETTO STARK

TRANSIZIONE FUORI RISONANZA

DECADIMENTO LIBERO DA INDUZIONE Quando la sorgente di radiazione viene tolta, la polarizzazione del campione non si azzera istantaneamente.

I dipoli oscillanti delle singole molecole che erano guidati in fase dalla radiazione si sfasano progressivamente.

La polarizzazione macroscopica si riduce progressivamente, ma ha ancora la possibilità oscillando di emettere radiazione: decadimento libero da induzione (FID : free induction decay)

DECADIMENTO LIBERO DA INDUZIONE NMR TRASFORMATA DI FOURIER

RILASSAMENTO SPIN-SPIN E SPIN-RETICOLO

ASPETTO MICROSCOPICO : INSIEME DI SPIN

T 1

T 2

ASPETTO MACROSCOPICO : MAGNETIZZAZIONE

EQUAZIONI DI BLOCH

dM z dt

   

M

 

B

z

M

0 

M z T

1

dM x dt

   

M

 

B

x

M x T

2

ECO DEL FOTONE

IMPULSO

/2 IMPULSO

ECO

SF

6

Laser CO

2

T 12 T 12

ECO

ECHI MULTIPLI

ECO STIMOLATO

1 impulso

Decadimento libero da induzione 2 impulsi

Eco 3 impulsi

Eco stimolato