وارونگی جمعیت

در علم و به طور ویژه در مکانیک آماری، وارونگی جمعیت ( به انگلیسی: population inversion ) زمانی رخ می دهد که یک سیستم ترمودینامیکی ( مانند گروهی از اتم ها یا مولکول ها ) در وضعیتی قرار دارند که تعدادشان در حالت برانگیخته بیشتر از حالت پایه است. واژه «وارونگی» به این علت به کار می رود که در اکثر سیستم های فیزیکی آشنا که با آنها سر و کار داریم، این حالت غیرممکن است. این مفهوم از اهمیت بسیار بالایی در علم لیزر برخوردار است چراکه وارونگی جمعیت اساس عملکرد لیزرهاست. [ ۱]
بر طبق قوانین ترمودینامیک، اگر یک سیستم ترمودینامیکی در حالت تعادل گرمایی باشد و هیچ گونه تحریک خارجی ( مثل افزایش حرارت، تابیدن نور و… ) وجود نداشته باشد، همه اتم ها یا مولکول های آن جسم در حالت انرژی پایه قرار دارند. با توجه به شکل، فرض کنید دو سطح انرژی به نام E1 و E2 داریم که E1 همان حالت انرژی پایه و E2 حالت برانگیخته است. در تعادل گرمایی تمام اتم ها یا الکترون ها در سطح انرژی E1 قرار دارند. برای ایجاد وارونگی جمعیت باید ترتیبی اتخاذ شود تا اتم ها از E1 به E2 منتقل شوند مثل تابیدن نور یا انرژی الکتریکی و…. اگر اتمی از حالت انرژی E2 به انرژی E1 سقوط کند، انرژی معادل E2 - E1 آزاد می شود که ممکن است این انرژی آزاد شده به صورت فوتون نور ( همانند لیزر و ال ای دی ) یا به صورت گرما ( دیودهای معمولی ) ظاهر شود. سقوط اتم ها از E2 به E1 هم به دو صورت است:
۱ - گسیل خودبه خودی ( کاربرد در ال ای دی )
۲ - گسیل القایی ( کاربرد در لیزر )
وارونگی جمعیت اساس کار لیزر و ال ای دی است.