Divulgación Transmisión de la luz en cristal y fonones

[Saw]

He oído una opinión sobre cómo se propaga la luz en materiales transparentes, que me sorprende.

La idea que yo tenía aprendida es que el fotón que no es absorbido por un átomo (debido a su frecuencia) es re-emitido con una breve demora y así sucesivamente (lo que explica que la luz viaje por el cristal más despacio que por el vacío). Esa emisión (salvo que fuera "estimulada": choque de un fotón con un átomo ya excitado) se produce en dirección arbitraria, lo que genera dispersión. A pesar de todo, el haz de luz pasa en línea recta a través del cristal, o bien porque no encuentra oposición, o bien porque las ondas que no tienen la dirección original interfieren destructivamente entre sí, con lo cual sólo "triunfa" la línea recta.

Me dicen que la interacción no es con átomos individuales sino con las células ("lattices") del cristal, que tienen unos modos de vibración que se llaman fonones. Si esto significa que sólo se transmiten (porque no se absorben) unas frecuencias distintas de las del átomo individual, lo entiendo. Pero es que me dicen más: la interacción fotón-fonón supone que el fotón se recibe por un lado de la célula y sale por el otro, "en la misma dirección". Me extraña, porque en la Univ. de Valencia hay un proyecto que se plantea como objetivo el de un láser de silicio que cree fotones a partir de fonones. Y lo que me dicen que pasa "naturalmente" en cualquier cristal se parece a esa proyecto hoy irrealizable.

En la "dispersión de Brillouin" hay interacción fotón-fonón, pero lo que pasa es que el fotón se dispersa, cambia de dirección. ¿Hay algo parecido a una "transmisión de Brillouin", sin cambio de dirección?

[pod]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

He oído una opinión sobre cómo se propaga la luz en materiales transparentes, que me sorprende.

La idea que yo tenía aprendida es que el fotón que no es absorbido por un átomo (debido a su frecuencia) es re-emitido con una breve demora y así sucesivamente (lo que explica que la luz viaje por el cristal más despacio que por el vacío). Esa emisión (salvo que fuera "estimulada": choque de un fotón con un átomo ya excitado) se produce en dirección arbitraria, lo que genera dispersión. A pesar de todo, el haz de luz pasa en línea recta a través del cristal, o bien porque no encuentra oposición, o bien porque las ondas que no tienen la dirección original interfieren destructivamente entre sí, con lo cual sólo "triunfa" la línea recta.

Me dicen que la interacción no es con átomos individuales sino con las células ("lattices") del cristal, que tienen unos modos de vibración que se llaman fonones. Si esto significa que sólo se transmiten (porque no se absorben) unas frecuencias distintas de las del átomo individual, lo entiendo. Pero es que me dicen más: la interacción fotón-fonón supone que el fotón se recibe por un lado de la célula y sale por el otro, "en la misma dirección". Me extraña, porque en la Univ. de Valencia hay un proyecto que se plantea como objetivo el de un láser de silicio que cree fotones a partir de fonones. Y lo que me dicen que pasa "naturalmente" en cualquier cristal se parece a esa proyecto hoy irrealizable.

En la "dispersión de Brillouin" hay interacción fotón-fonón, pero lo que pasa es que el fotón se dispersa, cambia de dirección. ¿Hay algo parecido a una "transmisión de Brillouin", sin cambio de dirección?

Es que normalmente es al revés. Si un fotón, en vez de ser reemitido se absorbe y excita un fonón, corresponde a un fotón que no se transmite (un material opaco... o al menos no "perfectamente" transparente). En definitiva, al poner a vibrar los átomos, lo que hace es calentar dicho material. Es algo que todos hemos visto, si ponemos al sol (que no es más que un gran emisor de fotones), se calienta.

Al parecer, por lo que dices, lo que intenta hacer ese grupo es justo lo contrario, que un fonón se convierta en un fotón.

[Sartie]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

Me dicen que la interacción no es con átomos individuales sino con las células ("lattices") del cristal, que tienen unos modos de vibración que se llaman fonones. Si esto significa que sólo se transmiten (porque no se absorben) unas frecuencias distintas de las del átomo individual, lo entiendo. Pero es que me dicen más: la interacción fotón-fonón supone que el fotón se recibe por un lado de la célula y sale por el otro, "en la misma dirección". Me extraña, porque en la Univ. de Valencia hay un proyecto que se plantea como objetivo el de un láser de silicio que cree fotones a partir de fonones. Y lo que me dicen que pasa "naturalmente" en cualquier cristal se parece a esa proyecto hoy irrealizable.

lattice es celda, se refiere a la celda unidad del monocristal.
Yo no creo que el foton sea recibido por un sitio y enviado por otro. Lo que ocurre es que los planos de empaquetamiento maximo son los que determinan en que direccion la probabilidad de trasmision es mayor, mientras que en las otras direccion los fotones son rebotados de un plano a otro de modo que no escapan nunca del cristal. Asi lo entiendo yo

[Saw]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

Es que normalmente es al revés. Si un fotón, en vez de ser reemitido se absorbe y excita un fonón, corresponde a un fotón que no se transmite (un material opaco... o al menos no "perfectamente" transparente). En definitiva, al poner a vibrar los átomos, lo que hace es calentar dicho material. Es algo que todos hemos visto, si ponemos al sol (que no es más que un gran emisor de fotones), se calienta.

Bueno, lo que he entendido es que caben las dos posibilidades: absorción (que se traduce en calor) y re-emisión. Que prospere la una o la otra depende de si la frecuencia del fotón es "admisible" por el material: si es admisible, se absorbe; si no, se re-emite. Esta "admisibilidad" (no sé si es el término adecuado) no viene condicionada por las características individuales del átomo, sino por el comportamiento colectivo de los átomos, agrupados en el cristal en "celdas", como me puntualizan debajo. A partir de aquí hay un conjunto de detalles (bandas, brecha de la banda...) que se me escapan. Pero la idea en sí me parece razonable.

La duda es sólo: si hay re-emisión, porque no se acepta la frecuencia del fotón, ¿en qué dirección? Yo creo que tendría que ser aleatoria (dispersión), como en la dispersión de Brillouin: el choque del fotón con ese modo colectivo de vibración que es el fonón se traduce en dirección aleatoria. Y si al final el haz de luz se las arregla para traspasar el material en línea recta, será porque interviene algún mecanismo compensatorio. Pero la idea, que me choca, es que no: que el fotón conserva su dirección, como en la emisión estimulada de fotones en un arma láser.

[Saw]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

lattice es celda, se refiere a la celda unidad del monocristal.

Gracias.

Yo no creo que el foton sea recibido por un sitio y enviado por otro.

Sí, coincido, aunque casi me pegan por decirlo...

Lo que ocurre es que los planos de empaquetamiento maximo son los que determinan en que direccion la probabilidad de trasmision es mayor, mientras que en las otras direccion los fotones son rebotados de un plano a otro de modo que no escapan nunca del cristal. Asi lo entiendo yo

Interesante. ¿Te importaría explicarme qué son los "planos de empaquetamiento máximo"?

[Sartie]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

bueno son los planos que contienen un mayor numero de atomos por parametro de red. Quizas si te explico lo que es una direccion de maximo empaquetamiento lo veas mas claro. Imaginate una red cuadrada en 2D como esta:

x x x x x
x x x x x
x x x x x
x x x x x
x x x x x

puedes definir tantas direcciones como quieras, pero las relevantes serian trazar la diagonal (direccion 1,1), la linea horizontal (direccion 1,0) o la vertical (direccion 0,1). Si te fijas la distancia entre atomos en las direcciones (1,0) y (0,1) son menores que la distancia entre atomos en la direccion (1,1), asi pues las direcciones (0,1) y (1,0) son las de mayor empaquetamiento en esta estructura.
Aplicado a planos, cada plano tiene una celda unidad diferente, de modo que la celda que contiene un mayor numero de atomos y menor area representa la de maximo empaquetamiento.

[Saw]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

Aplicado a planos, cada plano tiene una celda unidad diferente, de modo que la celda que contiene un mayor numero de atomos y menor area representa la de maximo empaquetamiento.

Humm... Lo entiendo a medias. Pero me pregunto: las celdas y los planos están donde están, pero un fotón viene de donde viene y consigue desplazarse en línea recta, para que yo vea una imagen nítida del objeto que lo reflejó, con independencia de que las celdas que se encuentra por el camino sean unas u otras...

No es que quiera abandonar la idea, seguro que se me escapa algo, pero me preguntaba, después de leer las respuestas sobre superconductividad, si no pasará aquí algo parecido. Claro, el cristal es transparente a temperatura ambiente, pero quizá tenga a pesar de todo alguna propiedad que permita algo parecido a la superconductividad: en ésta un electrón se empareja con otro a través de un fonón; quizá en el cristal un fotón, al chocar con un fonón, se empareje con otro fotón que anduviera por allí, rebotado de otro lado. Pero, bueno, no le prestes mucha atención a esto, no quiero aburrirte con especulaciones...

[Sartie]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

Humm... Lo entiendo a medias. Pero me pregunto: las celdas y los planos están donde están, pero un fotón viene de donde viene y consigue desplazarse en línea recta, para que yo vea una imagen nítida del objeto que lo reflejó, con independencia de que las celdas que se encuentra por el camino sean unas u otras...

No es necesario que el foton se traslade en linea recta, lo unico que necesitas es que la resultante de todos los movimientos sea una linea recta. Cuando un foton es absorbido por un atomo y despues este atomo se desexcita, todas las direcciones para la emision del foton son igualmente probables, lo que ocurre es que determinadas direcciones son favorables al fenomeno que te interesa. Si te fijas bien en ciertos cristales, la imagen nitida del objeto (supongo que te refieres a que salga en linea recta) depende del angulo de incidencia del haz luminoso.

No es que quiera abandonar la idea, seguro que se me escapa algo, pero me preguntaba, después de leer las respuestas sobre superconductividad, si no pasará aquí algo parecido. Claro, el cristal es transparente a temperatura ambiente, pero quizá tenga a pesar de todo alguna propiedad que permita algo parecido a la superconductividad: en ésta un electrón se empareja con otro a través de un fonón; quizá en el cristal un fotón, al chocar con un fonón, se empareje con otro fotón que anduviera por allí, rebotado de otro lado. Pero, bueno, no le prestes mucha atención a esto, no quiero aburrirte con especulaciones...

No creo que pueda ser. La interaccion electron-fonon que media la superconductividad es debido a que es el propio electron el que ayuda a que se cree dicho fonon (un foton no podria hacer esto ya que un foton no tiene carga). Como mucho, un foton muy energetico podria ser adsorbido por un atomo, este se podria excitar y oscilar con respecto a su posicion de equilibrio, asi se crearia un fonon, pero el foton no seria reemitido, pues la energia del foton inicial se disiparia por todo el material en forma de fonon.
Por otro lado, en superconductividad, el hecho de que dos electrones sientan una interaccion atractiva hace que estos se puedan mover por el cristal en un movimiento casi balistico,es decir, no se sienten frenados por los atomos, solo por la impurezas propias del metal, lo cual hace que, por decirlo de algun modo, su movimiento sea sin perdidas de energia y por eso superconducen. No se como podrias aplicar esto a un foton

[pod]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

La duda es sólo: si hay re-emisión, porque no se acepta la frecuencia del fotón, ¿en qué dirección? Yo creo que tendría que ser aleatoria (dispersión), como en la dispersión de Brillouin: el choque del fotón con ese modo colectivo de vibración que es el fonón se traduce en dirección aleatoria. Y si al final el haz de luz se las arregla para traspasar el material en línea recta, será porque interviene algún mecanismo compensatorio. Pero la idea, que me choca, es que no: que el fotón conserva su dirección, como en la emisión estimulada de fotones en un arma láser.

La respuesta corta es: la conservación del momento hace que "seguir recto" sea preferente. Sino, la diferencia de momento se tiene que quedar en el material (en forma de fonones), lo cual también significaría que el fotón saliente tiene menos energía (por que para un fotón $E = c p$).

La respuesta larga: las ondas de probabilidad interfieren y hacen que la dirección preferida sea la linea recta (la dada por la ley de Snell). Este es análogo al cálculo de electrodinámica clásica, donde se supone que cada punto del espacio donde llega una onda se considera un nuevo emisor de ondas esféricas. La interferencia es la que acaba dando la dirección de propagación inclinada en el medio respecto del no-medio. Esto seguramente lo podrá comentar mejor algún experto en óptica, a mi se me daba bastante mal

[Saw]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

No creo que pueda ser. La interaccion electron-fonon que media la superconductividad es debido a que es el propio electron el que ayuda a que se cree dicho fonon (un foton no podria hacer esto ya que un foton no tiene carga). Como mucho, un foton muy energetico podria ser adsorbido por un atomo, este se podria excitar y oscilar con respecto a su posicion de equilibrio, asi se crearia un fonon, pero el foton no seria reemitido, pues la energia del foton inicial se disiparia por todo el material en forma de fonon. Por otro lado, en superconductividad, el hecho de que dos electrones sientan una interaccion atractiva hace que estos se puedan mover por el cristal en un movimiento casi balistico,es decir, no se sienten frenados por los atomos, solo por la impurezas propias del metal, lo cual hace que, por decirlo de algun modo, su movimiento sea sin perdidas de energia y por eso superconducen. No se como podrias aplicar esto a un foton

De acuerdo. La analogía con la superconductividad era por darle alguna opción a esa opinión que, como os decía, me dieron, pero que no me convencía. Está claro que no es lo que pasa en un cristal.

No es necesario que el foton se traslade en linea recta, lo unico que necesitas es que la resultante de todos los movimientos sea una linea recta. Cuando un foton es absorbido por un atomo y despues este atomo se desexcita, todas las direcciones para la emision del foton son igualmente probables, lo que ocurre es que determinadas direcciones son favorables al fenomeno que te interesa. Si te fijas bien en ciertos cristales, la imagen nitida del objeto (supongo que te refieres a que salga en linea recta) depende del angulo de incidencia del haz luminoso.

La respuesta corta es: la conservación del momento hace que "seguir recto" sea preferente. Sino, la diferencia de momento se tiene que quedar en el material (en forma de fonones), lo cual también significaría que el fotón saliente tiene menos energía (por que para un fotón $E = c p$).

La respuesta larga: las ondas de probabilidad interfieren y hacen que la dirección preferida sea la linea recta (la dada por la ley de Snell). Este es análogo al cálculo de electrodinámica clásica, donde se supone que cada punto del espacio donde llega una onda se considera un nuevo emisor de ondas esféricas. La interferencia es la que acaba dando la dirección de propagación inclinada en el medio respecto del no-medio. Esto seguramente lo podrá comentar mejor algún experto en óptica, a mi se me daba bastante mal

Pues entonces la respuesta que me dais coincide bastante con lo que me parecía lógico y parece descartar definitivamente la idea de que el fonón tiene “transiciones” como las de los átomos:

- la transición es sólo del átomo = quien re-emite el fotón es el átomo que lo recibe, aunque lo que determine si una cierta frecuencia es absorbida definitivamente (y convertida en calor) o re-emitida (tras un breve lapso) son los modos vibracionales colectivos de cada celda o fonones;
- en coherencia con lo anterior, el átomo re-emite en dirección aleatoria, aunque luego intervienen otros mecanismos (interferencia de ondas) que hacen que la dirección preferida sea la dada por la ley de Snell…

¿Estaríais de acuerdo o lo lié todo?

[pod]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

De acuerdo. La analogía con la superconductividad era por darle alguna opción a esa opinión que, como os decía, me dieron, pero que no me convencía. Está claro que no es lo que pasa en un cristal.





Pues entonces la respuesta que me dais coincide bastante con lo que me parecía lógico y parece descartar definitivamente la idea de que el fonón tiene “transiciones” como las de los átomos:

- la transición es sólo del átomo = quien re-emite el fotón es el átomo que lo recibe, aunque lo que determine si una cierta frecuencia es absorbida definitivamente (y convertida en calor) o re-emitida (tras un breve lapso) son los modos vibracionales colectivos de cada celda o fonones;
- en coherencia con lo anterior, el átomo re-emite en dirección aleatoria, aunque luego intervienen otros mecanismos (interferencia de ondas) que hacen que la dirección preferida sea la dada por la ley de Snell…

¿Estaríais de acuerdo o lo lié todo?

Yo creo que a nivel básico es eso. Luego quizá algún experto en óptica cuántica nos pueda dar más detalles y matices, pero para empezar me suena bien.

[Sartie]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

yo estoy muy deacuerdo con la teoria basica que hemos sacado aqui. Es cierto que he oido hablar de excitacion de fonones, pero no se refiere a excitar estados del fonon, si no a la creacion de fonones

[Saw]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

yo estoy muy deacuerdo con la teoria basica que hemos sacado aqui. Es cierto que he oido hablar de excitacion de fonones, pero no se refiere a excitar estados del fonon, si no a la creacion de fonones

Aunque es difícil precisar la máximo, porque la terminología es traicionera, creo que estamos los tres de acuerdo, ¿no es cierto? Hay tres formas de ver las cosas:

1) El fonón no cuenta a ningún efecto.

2) El fonón sustituye al átomo, a todos los efectos.

3) El fonón cuenta a efectos de qué frecuencia absorbe y no re-emite el átomo, pero quien sufre transición, se excita y desexcita es el átomo, lo que se nota en dos consecuencias prácticas:

3.1 Se re-emite desde donde está el propio átomo: no entra el fotón por un lado de la célula y sale por el otro.

3.2 Se re-emite en dirección aleatoria

¿Estás de acuerdo con 3)? ¿O caso prefieres 1)?

[pod]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

yo estoy muy deacuerdo con la teoria basica que hemos sacado aqui. Es cierto que he oido hablar de excitacion de fonones, pero no se refiere a excitar estados del fonon, si no a la creacion de fonones

Muchas veces, excitación se usa con el mismo sentido que creación de partículas. Igual que cuando decimos "los fotones son las excitación del campo electromagnético". Pues lo mismo, los fotones son las excitaciones de los modos normales de una red de Bravais. No nos peleemos por una palabrita

[Saw]

Re: Transmisión de la luz en cristal y fonones

Quería haceros una pregunta adicional, relacionada con la anterior: Cuando la luz viaja a través de ciertos materiales, como el cristal, lo hace más despacio que si se propagara en el vacío. El enlentecimiento de la luz es proporcional al índice de refracción del material de que se trate.

Se suele decir que ese retraso se produce en las transiciones de los átomos: transcurre un breve lapso de tiempo desde que electrón es excitado por un fotón (que desaparece) y hasta que el electrón se relaja y emite un fotón nuevo. Pero entre átomo y átomo la luz viaja siempre a c, como en el vacío.

¿Y no influye para nada en el retraso de la luz el "cambio de dirección", la "dispersión", el hecho de que los nuevos fotones se emitan en direcciones aleatorias y tenga que intervenir un mecanismo compensatorio, del tipo que sea, para que prospere la línea recta? Se me ocurren dos respuestas teóricas:

- Sí influye.
- No influye, porque el mecanismo compensatorio consiste precisamente en que los fotones (o las ondas...) re-emitidos en la dirección equivocada interfieren entre sí y sólo llegan a nosotros los (o las...) que fueron emitidos en la buena dirección, la línea recta.

Claro, la respuesta también podría ser que no se sabe o que es cualquier otra la explicación...