تأثير بورسل

تأثير بورسيل هو زيادة معدل الانبعاث التلقائي لنظام كمومي بفعل بيئته. في أربعينيات القرن العشرين، اكتشف إدوارد ميلز بورسيل زيادة معدلات الانبعاث التلقائي للذرات عند دمجها في تجويف رنيني . ^{[ 1 ] [ 2 ]} من منظور الديناميكا الكهربائية الكمومية، يُعد تأثير بورسيل نتيجة لزيادة (أو نقصان) الكثافة المحلية لحالات الفوتون عند موضع الباعث. ويمكن اعتباره أيضًا تأثير تداخل. يُشعّ المذبذب موجة تنعكس من البيئة المحيطة. وبدورها، يُثير الانعكاس المذبذب إما خارج الطور، مما يؤدي إلى زيادة معدل التخميد المصحوب بزيادة الإشعاع، أو متوافقًا في الطور مع نمط المذبذب، مما يؤدي إلى كبح الإشعاع. ^{[ 3 ]}

بالنسبة لباعث مضبوط على النمط الأساسي للتجويف وموضوع في مركزه، فإن مقدار التحسين يتم تحديده بواسطة عامل بورسيل ^{[ 4 ].}

${\displaystyle F_{\rm {P}}={\frac {3}{4\pi ^{2}}}\left({\frac {\lambda _{\rm {free}}}{n}}\right)^{3}{\frac {Q}{V}}\,,}$

أين${\displaystyle \lambda _{\rm {free}}}$هو الطول الموجي في الفراغ ،${\displaystyle n}$يمثل معامل انكسار مادة التجويف (لذا${\displaystyle \lambda _{\rm {free}}/n}$(حيث يمثل الطول الموجي داخل التجويف)، و${\displaystyle Q}$و${\displaystyle V}$يمثلان عامل جودة التجويف وحجم الوضع ، على التوالي.

إحدى طرق فهم سبب ظهور تأثير بورسل هي استخدام الديناميكا الكهربائية الكمومية للتجويف . ^{[ 5 ]} تنص قاعدة فيرمي الذهبية على أن معدل الانتقال لنظام الذرة-الفراغ (أو الذرة-التجويف) يتناسب طرديًا مع كثافة الحالات النهائية . في تجويف عند الرنين، تزداد كثافة الحالات النهائية (مع أن عدد الحالات النهائية قد لا يزداد). وبالتالي، فإن عامل بورسل هو ببساطة نسبة كثافة حالات التجويف

${\displaystyle \rho _{\rm {c}}={\frac {1}{V\Delta \nu }}}$

إلى كثافة الحالات في الفضاء الحر ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \rho _{\rm {f}}={\frac {8\pi n^{3}\nu ^{2}}{c^{3}}}\,.}$

هنا،${\displaystyle \nu }$و${\displaystyle \Delta \nu }$يمثلان تردد الرنين وعرض النطاق الترددي ، على التوالي. باستخدام

${\displaystyle Q={\frac {\nu }{\Delta \nu }}\,,}$

يحصل المرء

${\displaystyle {\frac {\rho _{\rm {c}}}{\rho _{\rm {f}}}}={\frac {c^{3}}{8\pi n^{3}\nu ^{2}}}{\frac {Q}{\nu V}}={\frac {1}{8\pi }}\left({\frac {\lambda _{\rm {free}}}{n}}\right)^{3}{\frac {Q}{V}}\,,}$

وهو صحيح حتى قيمة عددية ثابتة للقيم العالية-${\displaystyle Q}$أنماط التجويف (الهرميتية). للترددات المنخفضة-${\displaystyle Q}$الأنماط (التي تمت مواجهتها، على سبيل المثال، مع الرنانات النانوية البلازمونية)، يأخذ عامل بورسيل شكلاً مختلفًا قليلاً ^{[ 7 ]} يفسر الطابع غير الهرميتي لهذه الأنماط.

تنبأت الدراسات النظرية ^{[ 8 ] [ 9 ]} بأن البيئة المادية "الفوتونية" قادرة على التحكم في معدل إعادة التركيب الإشعاعي لمصدر ضوئي مُدمج. يتمثل أحد الأهداف البحثية الرئيسية في ابتكار مادة ذات فجوة نطاق فوتونية كاملة : وهي نطاق من الترددات لا توجد فيه أنماط كهرومغناطيسية، وتُمنع فيه جميع اتجاهات الانتشار. عند ترددات فجوة النطاق الفوتوني، يُثبط الانبعاث التلقائي للضوء تمامًا. يُعد تصنيع مادة ذات فجوة نطاق فوتونية كاملة تحديًا علميًا هائلًا، ولذلك تُجرى دراسات مكثفة على المواد الفوتونية. وقد تم الإبلاغ عن العديد من أنواع الأنظمة المختلفة التي يتغير فيها معدل الانبعاث التلقائي بفعل البيئة المحيطة، بما في ذلك التجاويف، والمواد ذات فجوة النطاق الفوتوني ثنائية الأبعاد ^{[ 10 ] [ 11 ]} وثلاثية الأبعاد ^{[ 12 ]} .

أفاد باحثون في جامعة روتشستر عام 2023 أنه يمكن تحقيق تحسينات كبيرة في كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت من خلال استخدام تأثير بورسل لإطالة مدة إعادة التركيب التلقائي لأزواج الإلكترون-فجوة الناتجة عن الفوتونات، مما يُمكّنها من الوصول إلى أقطاب الخلية. ^{[ 13 ]}

يمكن أن يكون تأثير بورسيل مفيدًا أيضًا في نمذجة مصادر الفوتونات المفردة للتشفير الكمومي . ^{[ 14 ]} يُعد التحكم في معدل الانبعاث التلقائي، وبالتالي رفع كفاءة توليد الفوتونات، شرطًا أساسيًا لمصادر الفوتونات المفردة القائمة على النقاط الكمومية . ^{[ 15 ]}

وأخيرًا، من المهم الإشارة إلى أن تأثير بورسل لا يعزز العمليات الإشعاعية فحسب، بل يعزز أيضًا الانتقالات غير الإشعاعية مثل تفاعلات ثنائي القطب والتشتت، وهو ما لوحظ تجريبيًا لأول مرة في الذرات ^{[ 16 ]} والجزيئات. ^{[ 17 ]}