پریدن‌های كوانتومی در اتم تکی

یكی از هدف‌های مكانیك كوانتومی توصیف فرایند دینامیكی گسیل خود به خود است كه در طی آن اتم برانگیخته با گسیل یك فوتون و انگیخته می‌شود. برخی از اثرات كوانتومی جالب توجه را كه معمولاً در گسیل جمع كثیری از اتم‌های گسیلنده پوشیده می‌ماند، می‌توان در فلوئورسانی یك اتم منفرد مشاهده كرد. نمونه‌ای از این گونه اثرات، روشن و خاموش شدن ناگهانی فلوئورسانی حاصل از پرش‌های كوانتومی اتم است كه به تازگی مشاهده شده است.
كوك و كیمیل پی بردند كه اتم در آرایش V با سه تراز انرژی (دو تراز برانگیخته كه واپاشی شان به حالت پایه یكسانی منتهی می‌شود) كه در آن یك تراز برانگیخته در زمانی كوتاه واپاشیده می‌شود و تراز دیگر مدت زمانی طولانی‌تر برانگیخته می‌ماند، سیستمی بسیار مناسب برای مطالعه فرایند گسیل و جذب فوتون در اتم‌هاست. این سیستم، در ابتدا، توسط دهملت به صورت طرحی برای تقویت فوتونی در آشكار سازی یك گاز اپتیكی بسیار ضعیف مورد بحث قرار گرفت. چنانچه برای جفت كردن حالت پایه به تراز بالاتر قوی (كه واپاشی تند دارد) از یك لیزر استفاده شود، متوسط فلوئورسانی حاصل از تراز قوی در زمانی به قدر كفایت طولانی شدت یكنواختی را نشان می‌دهد. معمولاً هنگامی كه فلوئورسانی جمع كثیری از اتم‌ها مشاهده می‌شود، استفاده از لیزر دومی كه حالت پایه را به تراز بالاتر ضعیف (كه واپاشی كند دارد) جفت می‌كند، منجر به كاهش شدت متوسط فلوئورسانی می‌شود، زیرا به طور میانگین جمعیت تراز قوی تقلیل می‌یابد. اما این مسوله كه كاهش شدت متوسط از لحاظ یك اتم منفرد چگونه متجلی می‌شود، می‌تواند دو پاسخ داشته باشد: (1) ممكن است، همان‌طور كه در مورد مجموعه زیادی از اتم‌ها رخ می‌دهد، فلوئورسانی به سطح پایین‌تر یكنواختی تنزل كند، یا (2) ممكن است كه فلوئورسانی به طور ناگهانی از حالت روشن به خاموش تغییر وضعیت بدهد، و این در صورتی است كه اتم بین حالت پایه و ترازی كه جفت شدگی ضعیف دارد برش كوانتومی داشته باشد.
پژوهشگران زیادی در سال گذشته سیستم‌های عام سه ترازه را به طور نظری بررسی كرده و خواص آماری تابش گسیلی آن‌ها را محاسبه كرده‌اند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند كه تصویر پرش كوانتومی تصویر درستی است. اخیراً آزمایشی به روشنی نشان داده است كه شدت فلوئورسانی حاصل از (گذار قوی) سیستم سه ترازه V، در واقع دو مقداره است نه پیوسته. این نتیجه هنگامی به دست می‌آید كه شدت فلوئورسانی با زمان تفكیكی كوتاه‌تر از طول عمر ترازی كه جفت شدگی آن ضعیف است اندازه‌گیری شود. در این آزمایش یك یون منفرد جیوه با بار مثبت در فضایی كمتر از یك میكرون در تله‌ای الكترومغناطیسی محبوس بود و به طور همزمان زیر تابش دو لیزر قرار داشت. دو گروه دیگر، با استفاده از یك یون به دام افتاده منفرد باریوم، آزمایش‌هایی مشابه انجام دادند. گروه چهارم، فلوئورسانی گسیل شده از اتم‌های منفرد باریوم را در باریكه اتمی بسیار ضعیفی مشاهده كرد و با اندازه‌گیری همبستگی میان فواصل زمانی فوتون‌های آشكار شده توانست به این نتیجه برسد كه پرش كوانتومی تصویری درست است. با استفاده از این آزمایش‌ها، بینشی درباره طبیعت آماری فرایند جذب و نشر اتمی فراهم می‌شود.