Emissione stimolata della luce

[Greh]

Salve a tutti, c'è un dubbio che mi è inesorabilmente sorto durante i miei studi riguardanti i dispositivi optoelettronici.
In particolare il dubbio riguarda il fenomeno dell' emissione stimolata, con il quale è possibile amplificare la luce
come avviene nei laser.
Mi è chiaro la differenza tra i fenomeni di Assorbimento, Emissione spontanea ed Emissione stimolata. In particolare in quest'ultima succede che se ho un elettrone in uno stato eccitato (per esempio in banda di conduzione) se viene colpito da un fotone con una Energia sufficiente, tale elettrone decade in uno stato fondamentale (per esempio in banda di valenza) emettendo un nuovo fotone con le stesse caratteristiche fisiche di quello incidente.
Ora però mi chiedo come sia possibile che un elettrone già eccitato, quando interagisce con un fotone, invece di andare ad un altro stato ancora più eccitato (o semplicemente non assorbire tale fotone), decada in uno ad energia più bassa. Non sarebbe controintuitivo? Dal fenomeno dell'assorbimento sappiamo che un elettrone che interagisce con un fotone con Energia >= Energy gap può promuovere una transizione da uno stato fondamentale ad uno stato eccitato.

[PietroBaima]

Cosa sai di QED?

Per comprendere perché un elettrone eccitato possa decadere ad uno stato di energia più bassa sotto l'influenza di un fotone incidente, anziché assorbire ulteriormente energia, devi avere chiara la natura quantistica dei processi di interazione tra fotoni ed elettroni:

Emissione Stimolata: Questo processo si verifica quando un fotone con energia pari alla differenza tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale (o un altro stato a energia più bassa) passa vicino a un elettrone che si trova in quello stato eccitato. Questo fotone può "stimolare" l'elettrone a decadere nello stato di energia inferiore. Nel processo, l'elettrone rilascia un fotone che ha la stessa energia, fase e direzione di quello incidente. È importante notare che l'emissione stimolata non implica che l'elettrone assorba il fotone in arrivo, ma piuttosto che il fotone incidente induca un'emissione di energia sotto forma di un altro fotone.

Probabilità di transizione: la probabilità che un elettrone in uno stato eccitato interagisca con un fotone dipende da vari fattori, tra cui le regole di selezione quantistiche e l'energia del fotone. Quando un elettrone si trova in uno stato eccitato, l'emissione stimolata diventa un processo più probabile se l'energia del fotone incidente corrisponde alla differenza di energia tra gli stati eccitato e fondamentale. Questa probabilità è descritta dalle leggi della meccanica quantistica, in particolare attraverso la densità degli stati e il coefficiente di Einstein per l'emissione stimolata.

Assorbimento e stato eccitato: se l'elettrone si trova già in uno stato eccitato, la possibilità che assorba ulteriormente energia per passare a uno stato di energia ancora superiore dipende dalla disponibilità di livelli di energia più alti e dalle condizioni del sistema. Nel caso dell'emissione stimolata, il sistema viene "forzato" a rilasciare energia perché il fotone incidente e l'elettrone eccitato sono in una situazione in cui è energeticamente favorevole emettere un fotone aggiuntivo piuttosto che assorbirne uno.

Meccanismo Quantistico-Elettrico-Dinamico: Il fenomeno dell'emissione stimolata può essere compreso come una conseguenza dell'indistinguibilità quantistica degli stati del fotone. Quando un fotone interagisce con un elettrone in uno stato eccitato, la sovrapposizione degli stati quantistici rende possibile l'emissione di un fotone identico al fotone incidente. Questo processo è alla base del funzionamento del laser, dove un insieme di atomi o molecole viene mantenuto in uno stato eccitato, e l'emissione stimolata produce un fascio di luce coerente.

In sintesi, l'emissione stimolata non è controintuitiva se consideriamo la natura probabilistica e quantistica delle interazioni. Il fotone incidente non viene assorbito per promuovere l'elettrone a un livello energetico superiore, ma induce un rilascio di energia tramite l'emissione di un nuovo fotone. Questo processo è descritto dalla QED e può essere previsto facendo un diagramma di Feynman dell'interazione elettrone fotone.

[Greh]

Ti ringrazio per la risposta Pietro.
Ecco cosa mi manca, ovvero delle nozioni di QED, in quanto per ora conosco solo le basi di QM.
In ogni caso sei riuscito a chiarirmi almeno un po' questo dubbio.