Квантовый дефект

Термин квантовый дефект относится к двум концепциям: потеря энергии в лазерах и уровни энергии в щелочных элементах . Оба имеют дело с квантовыми системами, где материя взаимодействует со светом.

В лазерной науке термин квантовый дефект относится к тому факту, что энергия фотона накачки, как правило, выше, чем у сигнального фотона (фотона выходного излучения). Разница энергии теряется в тепле, которое может уносить избыточную энтропию, поставляемую многомодовой некогерентной накачкой.

Квантовый дефект лазера можно определить как часть энергии фотона накачки, которая теряется (не превращается в фотоны на длине волны генерации) в среде усиления во время генерации . ^[1] При заданной частоте накачки и заданной частоте генерации квантовый дефект. Такой квантовый дефект имеет размерность энергии; для эффективной работы температура среды усиления ( измеряемая в единицах энергии) должна быть мала по сравнению с квантовым дефектом.${\displaystyle \omega _ {\rm {p}}}$${\displaystyle \omega _{\rm {s}}}$${\displaystyle q=\hbar \omega _{\rm {p}}-\hbar \omega _{\rm {s}}}$

Квантовый дефект можно также определить следующим образом: при заданной частоте накачки и заданной частоте лазерной генерации квантовый дефект ; согласно этому определению квантовый дефект безразмерен. ^{[ необходима цитата ] При фиксированной частоте} накачки , чем выше квантовый дефект, тем ниже верхняя граница энергетической эффективности.${\displaystyle \omega _ {\rm {p}}}$${\displaystyle \omega _{\rm {s}}}$${\displaystyle q=1-\omega _{\rm {s}}/\omega _{\rm {p}}}$

Квантовый дефект атома щелочного металла относится к коррекции энергетических уровней, предсказанных классическим расчетом волновой функции водорода . Простая модель потенциала, испытываемого одним валентным электроном атома щелочного металла, заключается в том, что ионное ядро ​​действует как точечный заряд с эффективным зарядом e , а волновые функции являются водородными . Однако структура ионного ядра изменяет потенциал на малых радиусах. ^[2]

Потенциал 1/ r в атоме водорода приводит к энергии связи электрона, определяемой выражением, где — постоянная Ридберга , — постоянная Планка , — скорость света , — главное квантовое число .$${\displaystyle E_{\text{B}}=-{\dfrac {Rhc}{n^{2}}},}$$${\displaystyle R}$${\displaystyle ч}$${\displaystyle с}$${\displaystyle n}$

Для щелочных атомов с малым орбитальным угловым моментом волновая функция валентного электрона не является пренебрежимо малой в ядре иона, где экранированный кулоновский потенциал с эффективным зарядом e больше не описывает потенциал. Спектр по-прежнему хорошо описывается формулой Ридберга с зависящим от углового момента квантовым дефектом :${\displaystyle \delta _{l}}$$${\displaystyle E_{\text{B}}=-{\dfrac {Rhc}{(n-\delta _{l})^{2}}}.}$$

Наибольшие сдвиги происходят, когда орбитальный угловой момент равен нулю (обычно обозначается «s»), и они показаны в таблице для щелочных металлов : ^[3]

Элемент	Конфигурация	${\displaystyle n-\delta _{s}}$	${\displaystyle \delta _{s}}$
Ли	2с	1.59	0,41
На	3с	1.63	1.37
К	4с	1.77	2.23
Руб.	5с	1.81	3.19
Сс	6с	1.87	4.13

• Внешняя квантовая эффективность
• Квантовая эффективность солнечного элемента