Transición electrónica atómica

En física y química atómica , una transición electrónica atómica (también llamada transición atómica , salto cuántico o salto cuántico ) es un electrón que cambia de un nivel de energía a otro dentro de un átomo ^{[ 1 ]} o átomo artificial ^{[ 2 ]} . Estos niveles de energía son discretos, cuantizados y obtienen brechas de energía únicas específicas para un átomo dado. Aunque no es una lista exhaustiva, la espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) son algunas de las muchas técnicas de caracterización que emplean el fenómeno de la "huella atómica" de las transiciones electrónicas atómicas obtenidas mediante los niveles de energía cuantizados únicos para identificar la presencia atómica y la composición relativa dentro de las muestras ^{[ 3 ] .}

Los electrones pueden relajarse a estados de menor energía emitiendo radiación electromagnética en forma de fotón. También pueden absorber fotones que pasan cerca, lo que los excita a un estado de mayor energía. Cuanto mayor sea la diferencia de energía entre el estado inicial y final del electrón, menor será la longitud de onda de los fotones . ^{[ 4 ]}

El físico danés Niels Bohr fue el primero en teorizar que los electrones pueden realizar saltos cuánticos en 1913. ^{[ 5 ]} Poco después, James Franck y Gustav Ludwig Hertz demostraron experimentalmente que los átomos tienen estados de energía cuantizados. ^{[ 6 ]}

La observabilidad de los saltos cuánticos fue predicha por Hans Dehmelt en 1975, y fueron observados por primera vez utilizando iones atrapados de bario en la Universidad de Hamburgo y de mercurio en el NIST en 1986. ^{[ 4 ]}

Un átomo interactúa con el campo eléctrico oscilante :

con amplitud${\displaystyle |{\textbf {E}}_{0}|}$frecuencia angular${\displaystyle \omega }$y vector de polarización${\displaystyle {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }}$. ^{[ 7 ]} Nótese que la fase real es${\displaystyle (\omega t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})}$. Sin embargo, en muchos casos, la variación de${\displaystyle {\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}}$es pequeño en relación con el átomo (o, equivalentemente, la longitud de onda de la radiación es mucho mayor que el tamaño de un átomo) y este término puede ignorarse. Esto se conoce como la aproximación dipolar. El átomo también puede interactuar con el campo magnético oscilante producido por la radiación, aunque de forma mucho más débil.

El hamiltoniano para esta interacción, análogo a la energía de un dipolo clásico en un campo eléctrico, es${\displaystyle H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)}$La tasa de transición estimulada se puede calcular utilizando la teoría de perturbación dependiente del tiempo ; sin embargo, el resultado se puede resumir utilizando la regla de oro de Fermi : $${\displaystyle Rate\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }|1\rangle |^{2}}$$ El elemento de matriz dipolar se puede descomponer en el producto de la integral radial y la integral angular. La integral angular es cero a menos que se cumplan las reglas de selección para la transición atómica.

Para excitar un electrón a un nivel de energía superior, un fotón incidente o una fuerza radiativa debe entrar y ser absorbida por el átomo y golpear un electrón con la energía exacta necesaria para completar una transición a un nivel de energía superior dado. Las brechas de energía entre los niveles de energía cuantizados de los átomos están en la misma escala que la radiación ultravioleta (UV) y de rayos X; por lo tanto, se puede entender que las brechas entre niveles de energía son del orden de cientos de nanómetros o menores. El principio de Franck-Condon establece que, debido a que el movimiento nuclear es mucho más lento en comparación con el movimiento electrónico, las transiciones electrónicas ocurren de manera lineal y solo darán como resultado una excitación a un nivel de energía si la radiación incidente es equivalente en energía a la brecha de energía y si la probabilidad de las funciones de onda inicial y final se superponen significativamente. Los láseres de longitudes de onda UV y de rayos X se pueden usar para sondear tales excitaciones electrónicas. ^{[ 3 ]} La escala de tiempo de un salto cuántico no se ha medido experimentalmente. Sin embargo, el principio de Franck-Condon limita el límite superior de este parámetro al orden de los attosegundos . ^{[ 8 ]}

Así como un sistema (átomo) debe recibir y ser absorbido por energía para excitar un electrón, la emisión radiativa o no radiativa ocurre cuando un electrón se relaja a un nivel de energía inferior. La emisión radiativa subsiguiente también es del orden de los nanómetros y puede detectarse de diversas maneras. ^{[ 3 ]}

En 2019, se demostró en un experimento con un átomo artificial superconductor compuesto por dos cúbits transmon fuertemente hibridados colocados dentro de una cavidad resonadora de lectura a 15  m K , que la evolución de algunos saltos es continua, coherente, determinista y reversible. ^{[ 12 ]} Por otro lado, otros saltos cuánticos son inherentemente impredecibles. ^{[ 13 ]}

• Schrödinger, Erwin (agosto de 1952). "¿Existen saltos cuánticos? Parte I" (PDF) . The British Journal for the Philosophy of Science . 3 (10): 109– 123. doi : 10.1093/bjps/iii.10.109 .Parte 2
• "¡No hay saltos cuánticos, ni partículas!" por HD Zeh, Physics Letters A172 , 189 (1993).
• Ball, Philip (5 de junio de 2019). "Los saltos cuánticos, que durante mucho tiempo se supusieron instantáneos, requieren tiempo" . Quanta Magazine . Consultado el 6 de junio de 2019 .
• "Plasmón de superficie en una interfaz metal-dieléctrico con una capa de transición de épsilon cercano a cero" por Kevin Roccapriore et al., Physical Review B 103 , L161404 (2021).