kwantumovergangen

Kwantumovergangen zijn overgangen tussen kwantumtoestanden van een systeem die plaatsvinden onder invloed van een perturbatie, meestal een elektromagnetisch veld. Bij atomen en moleculen ontstaan ze doorgaans door absorptie of emissie van fotonen, zodat het energieverschil ΔE tussen de toestanden overeenkomt met de fotonenergie hν. In vaste stoffen kunnen ook andere kanalen voorkomen, bijvoorbeeld via interacties met trillingen in de kristallstructuur of met defecten. Overgangen zijn gebaseerd op de onderlinge matrix-elementen tussen de betrokken toestanden en hangen af van de symmetrie van de toestanden.

De kans op een overgang wordt berekend met tijd-afhankelijke perturbatietheorie. In de elektrische-dipoolbeschrijving wordt de overgang bepaald door het matrixelement van het dipoolmoment μ_if = ⟨f|d|i⟩ tussen de initiële en eindtoestand. Selectie regels volgen uit de symmetrie: bij elektrische-dipoolovergangen in atomische systemen gelden vaak Δl = ±1, Δm = 0, ±1 en verandering van parity; hogere multipoolovergangen zoals magnetische dipool of elektrische quadrupool hebben aanvullende regels en kunnen onder bepaalde omstandigheden toegestaan zijn.

Radiatieve overgangen omvatten spontane emissie, gestimuleerde emissie en absorptie. De intensiteit van een lijn hangt af van de matrixelementen en van de aanwezigheid van het elektromagnetische veld. In de traditionele formaliteit worden de overgangscoëfficiënten beschreven met de Einstein A- en B-coëfficiënten: A_if voor spontane emissie, en B_if voor absorptie en gestimuleerde emissie. Spectrale lijnen krijgen vormen door natuurlijke, Doppler- en drukbreking.

Toepassingen van kwantumovergangen zijn wijdverspreid: in spectroscopie om toestanden te identificeren, in lasers voor gestimuleerde emissie, en in atoom- en molecuulptraagten en quantuminformatietoepassingen met qubits. In vaste stoffen bepalen valentie- en geleidingsbandovergangen de optische eigenschappen; niet-radiatieve relaxatiekanalen beïnvloeden vaak de efficiëntie van de overgangen.