Светоиндуцированный дрейф
Светоиндуци́рованный дрейф газов и газоподобных сред, относительное движение (дрейф) компонентов газовой смеси, возникающее при резонансном поглощении излучения одним из компонентов. Светоиндуцированный дрейф обусловлен селективным по скоростям возбуждением частиц, поглощающих излучение, и различием транспортных характеристик возбуждённых и невозбуждённых частиц при их столкновениях с частицами другого (буферного) компонента смеси.
Из-за эффекта Доплера с излучением взаимодействуют не все частицы газа, а только те, у которых доплеровский сдвиг ( – волновой вектор излучения, – скорость частицы) компенсирует отстройку частоты излучения от резонанса (селективное по скоростям возбуждение). Подбирая спектр излучения и положение его центральной частоты относительно резонанса, можно добиться того, что взаимодействовать с излучением будут, например, частицы, движущиеся только в направлении волнового вектора . В результате взаимодействия частицы переходят в возбуждённое состояние, в котором транспортное сечение частицы для столкновений с частицами буферного компонента изменяется (например, увеличивается). При этом длина свободного пробега возбуждённой частицы оказывается меньше для частицы в основном состоянии. Девозбуждение частицы (её переход в основное состояние) происходит при спонтанном или вынужденном испускании. За один цикл возбуждения-девозбуждения при условии, что в возбуждённом состоянии произошло столкновение, частица подвергается систематическому перемещению в направлении, обратном направлению волнового вектора . При регулярном повторении циклов частица в указанных условиях будет дрейфовать навстречу излучению. Если центральную частоту спектра излучения настроить так, чтобы возбуждались частицы со скоростями, направленными против волнового вектора , то поглощающие частицы будут дрейфовать в направлении распространения излучения. Направление дрейфа зависит также от соотношения длин свободного пробега частиц. При их существенном различии (что характерно для электронных состояний атома) и при использовании лазерного излучения скорость дрейфа может достигать значений, сопоставимых со скоростью звука.
Особенность светоиндуцированного дрейфа, отличающая его от других эффектов воздействия излучения на движение частиц газа, состоит в том, что для возникновения направленного движения газовых компонентов необязателен прямой или косвенный обмен импульсом и энергией между излучением и частицами газа. Энергия поступательного движения газовых компонентов черпается из тепловой энергии, а действие излучения заключается в преобразовании хаотического (теплового) движения частиц газа в упорядоченное (направленное) движение компонентов смеси. Таким образом, в случае светоиндуцированного дрейфа имеется своеобразная реализация т. н. «демона Максвелла»: разделение компонентов газовой смеси без изменения её полной энергии. Разумеется, нарушения второго начала термодинамики здесь не происходит, поскольку энтропия излучения в результате взаимодействия с частицами газа увеличивается (низкоэнтропийное направленное излучение преобразуется в изотропно рассеянное излучение с большей энтропией).
Светоиндуцированный дрейф находит применение во многих областях физики и технологии. С его помощью измеряются транспортные характеристики возбуждённых состояний атомов и молекул, было осуществлено разделение спиновых модификаций тяжёлых молекул, что позволило детально исследовать физическую природу конверсии этих модификаций. Светоиндуцированный дрейф перспективен в задачах концентрирования редких продуктов ядерных реакций, регистрации микропримесей, разделения изотопов. Было показано, что светоиндуцированный дрейф может быть ответствен за сепарацию химических элементов и изотопов в атмосферах химически пекулярных звёзд и в протопланетных облаках, а также может служить одной из причин генерации магнитного поля звёзд.