¿Qué son los estados metaestables? En láser, ¿existen estados metaestables antes de excitar el electrón? En caso afirmativo, ¿podemos dirigir la excitación de un electrón al estado metaestable?

En todos los láseres. Un láser funciona mediante el uso de estados metaestables. Primero, el material láser es “excitado” por una fuente externa, típicamente una corriente eléctrica o un destello de luz de otra fuente. (Esa otra fuente en el pasado típicamente ha sido una lámpara de destello, pero en estos días es más a menudo otro láser). Esto excita el material, lo que significa que los electrones son impulsados ​​a un estado de mayor energía metaestable.

Seleccionamos materiales en los que hay un estado “metaestable” porque eso simplemente significa que tiene una larga vida. Entonces ahora tiene una cantidad macroscópica de material en un estado excitado. Einstein había demostrado que bajo tales condiciones, hay una “emisión estimulada” que puede causar una desexcitación y la liberación de un nuevo fotón en el mismo estado que el fotón que lo estimuló. (A diferencia de los electrones, puede tener muchos fotones en el mismo estado).

Este proceso de avalanchas, y pronto tienes un billón de fotones emitidos todos en el mismo estado. Es por eso que están tan bien colimados, y por qué oscilan juntos a la misma frecuencia y en fase (es decir, son coherentes).

Los estados metaestables no duran mucho para las frecuencias altas, y es por eso que es tan difícil hacer un láser de rayos gamma.

Los estados metaestables son estados que no pueden decaer a un estado de menor energía de forma aislada, sino solo cuando se ven perturbados por una influencia externa. En sólidos o sistemas atómicos en general, y en un medio láser en particular, estos estados están presentes. Son un requisito para el láser. La forma en que funciona un láser es que los electrones se bombean desde un estado de energía más bajo al más alto. Este estado de mayor energía es casi estable: decaerá espontáneamente después de mucho tiempo. Pero puede decaer mucho más rápido cuando es estimulado por la luz de la misma frecuencia. De hecho, cuando hay suficientes electrones en el estado excitado, las pérdidas en el haz de luz debido a que empujan los electrones del estado más bajo al estado más alto se compensan con creces con la luz extra obtenida al estimular la emisión de luz, causada por golpear el estado más alto electrones hasta el estado inferior. En otras palabras, la luz se amplifica, en lugar de absorberse. Para lograr esta amplificación, debemos tener más electrones en el estado superior que en el inferior. Como esto es lo opuesto al estado natural de las cosas, esto se conoce como inversión de la población. La técnica utilizada para lograr una inversión de población, “bombeo óptico”,
fue inventado por RH Dicke.

Estos estados metaestables sí existen antes del láser, y bombeamos los electrones hacia ellos antes del láser, tal como usted dijo. Si hubieras pensado en esto hace 80 años, habrías sido famoso.

El estado metaestable significa literalmente como estado estable, su tiempo de vida es largo en relación con el estado inestable, no el estado original dentro de los estados reales, científicamente, es un estado entre dos estados originales, el electrón permanece en él durante cierto tiempo según lo programado, o debido a la energía, entonces sube al estado excitado o regresa a su primer estado. Por supuesto, ya sea al oscurecer la energía, si sube, o al emitir energía para regresar a su primer estado. se puede programar en los casos de láser de acuerdo con el objetivo científico.

Lo engañoso acerca de los diagramas que muestran estados donde los “electrones” pueden ser excitados es exactamente lo que lleva a su pregunta.

Vea, aunque es principalmente la reconfiguración de electrones la responsable de los procesos que involucran excitación y luz, no es exacto imaginar un electrón “moviéndose” de un estado inferior a un estado superior.

Preguntar si un estado existe antes de que un electrón esté excitado es como preguntar ¿existe el estado de “feliz” antes de que realmente hagas feliz a alguien? Claro, como una forma de hablar, pero su existencia o no tiene una influencia real sobre lo que realmente sucede, y no es necesario suponer que “el estado feliz” existe en algún lugar, y cuando las personas se enojan, se “mueven” en ello; para dar una explicación clara del proceso de ser feliz. Hablar de niveles electrónicos y sus energías es útil, pero equiparar esta imagen a un solo electrón que sube a los estados es engañoso.

Así que aquí está la descripción más precisa de lo que sucede: hay muchas configuraciones permitidas para un sistema de electrones y núcleos, cada una de estas configuraciones tiene su propia energía. al igual que puedes apilar algunos bloques de diferentes maneras. Cuando se emite luz desde el sistema (átomo o molécula), la configuración cambia y también lo hace la energía. Eso es todo al respecto. Ahora, ¿existe la configuración de energía más alta antes de que la molécula o átomo absorba energía? (¿existe “feliz”?) Tal vez, tal vez no, pero eso es irrelevante para nuestra descripción.

En cuanto a la metaestabilidad, así es como es: supongamos que tiene una jeringa llena de aire y comprime el aire dentro de ella. Obviamente, no es el estado más estable. Pero suponga que de alguna manera hace que la jeringa quede bloqueada en su posición comprimida (tal vez use bandas elásticas o pegamento o algo así). La energía del sistema todavía es demasiado alta, y no es realmente estable en el sentido de que “prefiere” estar en un estado de energía más baja, pero no puede ir a un estado de energía más baja porque no hay un camino hacia él. Lo mismo sucede en los átomos o moléculas. Un átomo o molécula aislada solo puede ir a un estado de energía más bajo en un número limitado de formas:
1. Si es un átomo, solo puede emitir luz.
2. Si es una molécula, puede emitir luz o disociarse (o tal vez hacer ambas cosas).
Estas opciones no siempre están necesariamente disponibles. Si un átomo o molécula está en un estado excitado, y no puede emitir luz, estará “bloqueado” en el estado excitado, al igual que la jeringa está bloqueada en su estado de alta presión. Esto es lo que llamamos un estado metaestable. (y de manera similar, la disociación no siempre es una opción también).

Ahora, ¿por qué la molécula o el átomo no pueden emitir luz cuando están en un estado excitado? Debido a que la emisión y absorción de luz, en la mecánica cuántica, sigue reglas llamadas “reglas de selección”, que describen qué transiciones de un estado excitado a un estado inferior son posibles.

¿De dónde vienen? Es un poco complejo, pero el resumen es el siguiente: Resulta que los fotones tienen un momento angular (la cantidad física asociada con la rotación) que siempre es la misma sin importar la frecuencia de la luz. Ahora, debido a que el momento angular se conserva en los procesos, si un átomo o molécula es un estado / configuración excitado, solo puede ir a una configuración de menor energía, pierde el momento angular exactamente igual al de un fotón, pero a veces no hay configuración de baja energía que tiene exactamente ese momento angular mucho menos. Entonces el átomo o la molécula no pueden emitir luz.

Pensando en los átomos y los fotones como bolas que giran alrededor de su eje (que no es del todo exacto, pero funciona para esta explicación), algo así sucede cuando se emite luz:

observe cómo se conservan tanto el momento angular como el momento lineal (se suman antes y después).

La respuesta del Dr. Muller aborda perfectamente la pregunta. Obviamente, estos estados existen antes de excitar un electrón. Por lo tanto, es posible excitar electrones de un estado metaestable a otro estado metaestable aplicando algo de energía externa.

Estos estados metaestables se crean cuando introducimos dopantes en un cristal de estado sólido a través del efecto Stark.