La molécule d'ammoniac, un système à deux niveaux
Mots-clés: système à deux niveaux · ammoniac · effet tunnel · oscillations · battements · fréquence de Bohr · évolution temporelle
Exercice 1 : La molécule d'ammoniac, un système à deux niveaux
Dans la molécule d'ammoniac , les trois atomes d'hydrogène forment un triangle, et l'atome d'azote peut se trouver d'un côté ou de l'autre du plan de ce triangle. On modélise la molécule par un système à deux niveaux, de base orthonormée , où (respectivement ) représente l'azote situé à gauche (respectivement à droite) du plan. Dans cette base, le Hamiltonien est
où est réel et représente le couplage dû au passage de l'azote d'un côté à l'autre par effet tunnel. On note le moment dipolaire électrique de la molécule, qui vaut dans l'état et dans l'état ; on représente cette grandeur par l'observable .
On peut le vérifier directement : . Le niveau fondamental est l'état symétrique , et l'écart entre les deux niveaux vaut . Les états et , dans lesquels l'azote est localisé d'un côté, ne sont pas des états propres de : ils ne sont pas stationnaires. Sans couplage tunnel (), ils seraient dégénérés d'énergie ; le couplage lève cette dégénérescence.
Revenons dans la base , en remplaçant et par leurs expressions : La probabilité de trouver l'azote à droite est donc L'azote oscille d'un côté à l'autre du plan des hydrogènes. Le passage est complet au bout de la durée , et la période des oscillations de probabilité est .
indépendantes du temps : c'est la conservation de la distribution d'énergie établie à la leçon 1. Les oscillations n'apparaissent que pour une observable, comme , qui ne commute pas avec et relie les deux états propres : c'est un battement quantique.
C'est un écart très faible devant les énergies électroniques, de l'ordre de l'électronvolt, ce qui traduit la faiblesse du couplage par effet tunnel à travers la barrière que forme le plan des hydrogènes. La durée du passage de gauche à droite est la demi-période des oscillations du dipôle : Cette transition entre et est celle qui a servi à réaliser le premier maser, en 1954.