Dicke modeli - Dicke model - Wikipedia

Dicke modeli temel bir modeldir kuantum optiği arasındaki etkileşimi açıklayan ışık ve Önemli olmak. Dicke modelinde, ışık bileşen tek bir kuantum modu olarak tanımlanırken, Önemli olmak bir dizi olarak tanımlanır iki seviyeli sistemler. Işık ve madde arasındaki bağlantı kritik bir değeri aştığında, Dicke modeli ortalama bir alan gösterir faz geçişi bir Üst faz. Bu geçiş, Evrensellik sınıfı mı ve deneysel olarak gerçekleştirildi boşluk kuantum elektrodinamiği deneyler. Üstün geçiş, bazı benzerlikler taşısa da Lasing istikrarsızlık, bu iki geçiş farklı evrensellik sınıflarına aittir.

Açıklama

Dicke modeli bir kuantum mekaniği tek modlu bir boşluk ile arasındaki bağlantıyı açıklayan model iki seviyeli sistemler, Veya eşdeğer olarak döndür-½ özgürlük derecesi. Model ilk olarak 1973'te K. Hepp ve E. H. Lieb.[1] Çalışmaları şu öncü çalışmalardan esinlenmiştir: R. H. Dicke üzerinde üstünlük boş alanda ışık yayımı [2] ve onun adını aldı.

Kuantum mekaniğindeki diğer herhangi bir model gibi, Dicke modeli de bir dizi kuantum durumu ( Hilbert uzayı ) ve toplam enerji Şebeke ( Hamiltoniyen ). Hilbert uzayı Dicke modelinin boşluğunun ve iki seviyeli sistemlerin durumları (tensör çarpımı) ile verilir. Boşluğun Hilbert uzayı şu şekilde kaplanabilir: Fock eyaletleri ile fotonlar ile gösterilir . Bu durumlar vakum durumundan oluşturulabilir kanonik kullanarak merdiven operatörleri, ve , sırasıyla boşluktan bir foton ekler ve çıkarır. Her iki seviyeli sistemin durumları şu şekilde anılır: yukarı ve aşağı ve aracılığıyla tanımlanır çevirmek operatörler tatmin edici spin cebiri . Buraya ... Planck sabiti ve iki seviyeli belirli bir sistemi belirtir.[3]

Hamiltoniyen Dicke modelinin

 

 

 

 

(1)

Buradaki ilk terim, boşluğun enerjisini tanımlar ve tek bir boşluk fotonun enerjisinin ürününe eşittir. (nerede boşluk frekansı), çarpı boşluktaki foton sayısıdır, . İkinci terim, iki seviyeli sistemlerin enerjisini tanımlar. her iki seviyeli sistemin durumları arasındaki enerji farkıdır. Son terim, iki seviyeli sistemler ve boşluk arasındaki bağlantıyı açıklar ve bir sabit ile orantılı olduğu varsayılır, , çarpı iki seviyeli sistemlerin karekökünün tersidir. Bu varsayım, birinin sınırında bir faz geçişi elde etmesine izin verir. (görmek altında ). Kuplaj iki terimin toplamı olarak yazılabilir: a birlikte dönen uyarılma sayısını koruyan ve orantılı olan terim ve bir ters dönen orantılı terim , nerede spin merdiveni operatörleri.

Hamiltoniyen Eşitlik. 1 tüm spinlerin aynı olduğunu varsayar (yani aynı enerji farkına sahiptir ve boşluğa eşit olarak bağlıdır). Bu varsayım altında, makroskopik spin operatörleri tanımlanabilir , ile tatmin eden spin cebiri, . Bu operatörleri kullanarak, Hamiltoniyen Eşitlik. 1 gibi

 

 

 

 

(2)

Bu gösterim, modelin sayısal çalışmasını basitleştirir çünkü tek bir spin-S içerir. Hilbert uzayının boyutu olan , ziyade Hilbert uzayının boyutu olan spin-1/2 .

Dicke modelinde bir küresel simetri,

 

 

 

 

(3)

Çünkü birliğe kareler (yani iki kez uygulanırsa, her durumu orijinal durumuna getirir), iki özdeğeri vardır, ve . Bu simetri bir korunan miktar: toplam uyarma sayısının paritesi, , nerede

 

 

 

 

(4)

Bu paritenin korunması, Hamiltonian'daki her terimin, uyarma sayısını yalnızca aşağıdaki kadar değiştirebilen ters dönüşlü terimler dışında, uyarma sayısını koruduğu gerçeğinden görülebilir. . Dicke modelinin bir durumu olduğu söyleniyor normal bu simetri korunduğunda ve üstünlük bu simetri kendiliğinden bozulduğunda.

İlgili modeller

Dicke modeli, diğer kuantum optik modelleriyle yakından ilgilidir. Özellikle, tek bir iki seviyeli sisteme sahip Dicke modeli, , Rabi modeli olarak adlandırılır. Tersine dönen terimlerin yokluğunda, model denir Jaynes-Cummings için ve Tavis-Cummings için . Bu iki model, uyarılma sayısını korur ve bir ile karakterizedir simetri. Bu simetrinin kendiliğinden kırılması, bir lazerlenme durumuna yol açar (bkz. altında ).

Dicke modeli ile diğer modeller arasındaki ilişki aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. [4]


Modelin adıTers dönen terimler?simetriİki seviyeli sistemlerin sayısı
Jaynes-CummingsHayır
Tavis-CummingsHayır
Rabi modeliEvet
DickeEvet

Üst faz geçişi

Figür 1. Normal fazda sıfır ve süper radyan fazda sonlu olan Dicke geçişinin sıra parametresinin şematik çizimi. Ek, normal ve süper radyan fazlardaki serbest enerjiyi gösterir, bkz. 5.

Dicke modelinin ilk çalışmaları, denge özelliklerini dikkate aldı.[1] Bu işler sınırı olarak kabul edildi (aynı zamanda termodinamik limit) ve bir varsayıldı termal bölme fonksiyonu, , nerede ... Boltzmann sabiti ve ... sıcaklık. Bağlantı kurulduğunda kritik bir değeri aşıyor Dicke modeli bir ikinci dereceden faz geçişi, olarak bilinir üst faz geçişi Orijinal türetmelerinde, Hepp ve Lieb[1] tersine dönen terimlerin etkilerini ihmal etti ve bu nedenle aslında Tavis-Cummings modelini düşündü (yukarıya bakın). Tam Dicke modelinin daha ileri çalışmaları, faz geçişinin, farklı bir kritik kuplajda da olsa, ters yönde dönen terimlerin varlığında hala gerçekleştiğini buldu.[5]

Üstün geçiş kendiliğinden eşlik simetrisini bozar, , Denklemde tanımlanmıştır. 3. sipariş parametresi bu faz geçişinin . Termodinamik sınırda, sistem normalse bu miktar sıfıra veya sistem üstün ise iki olası değerden birine eğilimlidir. Bu iki değer, zıt fazlarla kavite alanının fiziksel durumlarına karşılık gelir (bkz. 3 ve buna uygun olarak, dönüşün tersi durumlarına bileşenleri). Üst faz geçişine yakın, sıra parametresi şunlara bağlıdır: gibi (bkz. 1). Bu bağımlılık ortalama alana karşılık gelir kritik üs .

Geçişin ortalama alan açıklaması

Üst düzey geçişi tanımlamanın en basit yolu, bir ortalama alan boşluk alanı operatörlerinin beklenti değerleri ile ikame edildiği yaklaşım. Termodinamik sınırda kesin olan bu yaklaşım altında, Denklemin Dicke Hamiltoniyeni. 1 Her biri bağımsız olarak köşegenleştirilebilen iki seviyeli farklı bir sisteme etki eden bağımsız terimler toplamı haline gelir. Termal dengede (yukarıya bakın), iki seviyeli sistem başına serbest enerjinin[6]

 

 

 

 

(5)

Geçişin kritik eşleşmesi koşulla bulunabilir , giden

 

 

 

 

(6)

İçin , için minimum bir tane vardır , iki minimuma sahiptir (Şekil 1'deki eke bakın. 1). Sınırında sıfır sıcaklık süper radyan faz geçişinin kritik bağlanması için bir ifade elde edilir, .

Dicke modelini aç

Denklemin Dicke modeli. 1 boşluk modunun ve iki seviyeli sistemlerin dış ortamdan mükemmel bir şekilde izole edildiğini varsayar. Gerçek deneylerde, bu varsayım geçerli değildir: serbest ışık modlarına bağlanma boşluk fotonlarının kaybına ve ikisinin bozulmasına neden olabilir. Seviye sistemleri (yani dağıtım kanalları). Bu deneylerin sürücü alanları kullandığından bahsetmeye değer (ör. lazer alanları ) Kavite modu ve iki seviyeli sistemler arasındaki kuplajı uygulamak için Çeşitli dağıtım kanalları, ek çevresel serbestlik derecelerine bir kuplaj eklenerek tanımlanabilir.Bu harici serbestlik derecelerinin dinamiklerinin ortalamasını alarak hareket denklemleri elde edilir. tanımlayan açık kuantum sistemi Yaygın Born-Markov yaklaşımına göre, sistemin dinamikleri, kuantum ana denklemi içinde Lindblad form [7]

 

 

 

 

(7)

Buraya, sistemin yoğunluk matrisidir, bozunma kanalının Lindblad operatörüdür , ve ilişkili bozunma oranı. Hamiltoniyen Denklem tarafından verilir. 1model, açık Dicke modeli olarak adlandırılır.


Deneylerle ilgili bazı yaygın bozunma süreçleri aşağıdaki tabloda verilmiştir:

-Boşluk çürümesiAtom bölünmesiAtomik dephasingKolektif çürüme
Lindbladiyen
Çürüme oranı

Modelin teorik tanımında, genellikle sabit durum göz önünde bulundurulur. . Sınırında , açık Dicke modelinin sabit durumu, genellikle dengede olmayan süper radyan geçişi. Bu geçişin kritik üsleri, sonlu sıcaklıktaki denge süper radyan geçişi ile aynıdır (ve sıfır sıcaklıktaki süper radyan geçişinden farklıdır).

Üstün geçiş ve Dicke üstünlüğü

Figür 2. Dicke üstünlüğü ile açık Dicke modelinin süper parlak geçişi arasındaki farkın şematik temsili.

Açık Dicke modelinin süper parlak geçişi aşağıdakilerle ilgilidir, ancak ondan farklıdır: Dicke üstünlük (bkz. 2).

Dicke üstünlüğü, birçok iki seviyeli sistemin boş uzayda tutarlı bir şekilde foton yaydığı kolektif bir fenomendir.[2][8] İki seviyeli sistemler başlangıçta uyarılmış durumda hazırlanırsa ve ilgili fotonun dalga boyundan çok daha küçük bir mesafeye yerleştirilirse oluşur. Bu koşullar altında, iki seviyeli sistemlerin kendiliğinden bozunması çok daha hızlı hale gelir: iki seviyeli sistemler, büyük genlikli kısa bir ışık darbesi yayar. İdeal koşullar altında, darbe süresi iki seviyeli sistemlerin sayısı ile ters orantılıdır, ve yayılan ışık ölçeklerinin maksimum yoğunluğu . Bu, spontan emisyonun tersidir. bozunma zamanı bağlı olmayan bağımsız iki seviyeli sistemler ve darbe yoğunluğunun ölçeklendiği yer .

Yukarıda açıklandığı gibi, açık Dicke modeli, nicelleştirilmiş bir boşluğa bağlanan ve harici bir pompa tarafından çalıştırılan iki seviyeli sistemleri modellemektedir (bkz. 2). Normal fazda, boşluk alanının yoğunluğu atom sayısı ile ölçeklenmez süper radyan fazdayken, boşluk alanının yoğunluğu orantılıdır .

Dicke üstünlüğünün ve Dicke modelinin süper parlak geçişinin ölçeklendirme yasaları aşağıdaki tabloda özetlenmiştir:

Dicke üstünlük[2] Dicke modelinin süper geçişi[1]
ÇevreBoş alanBoşluk
SüresiGeçiciKararlı hal
Alanın yoğunluğu (normal)
Alanın yoğunluğu (süper radyan)


Deneysel gerçekleştirmeler

Figür 3. Dicke modelini deneysel olarak gerçekleştirmek için iki şemanın şematik temsili: solda, iki seviye arasındaki dipol eşleşmesine dayanan denge yaklaşımı ve sağda, iki foton işlemine dayanan dengesiz yaklaşım, yani uyarılmış Raman saçılması. Dicke modelini gerçekleştirmek için yalnızca ikinci şema kullanılır.

Dicke modelinin en basit gerçekleştirilmesi, bir boşluktaki iki seviyeli atomlar arasındaki çift kutuplu birleşmeyi içerir (bkz. 2, sağ panel). Bu sistemde, süper radyan geçişinin gözlemlenmesi iki olası problem tarafından engellenmektedir: (1) Atomlar ve boşluklar arasındaki çıplak bağlantı genellikle zayıftır ve kritik değere ulaşmak için yetersizdir. , bkz. Denk. 6.[9] (2) Fiziksel sistemin doğru bir modellemesi dikkate alınması gereken göre terimler gitmeme teoremi, geçişi engelleyebilir. Atomlara harici pompalar uygulayarak ve uygun şekilde etkili bir Dicke modeli oluşturarak her iki sınırlama da aşılabilir. dönen çerçeve.[10][11]

2010 yılında, açık Dicke modelinin süper parlak geçişi, optik bir boşlukta hapsolmuş nötr Rubidyum atomları kullanılarak deneysel olarak gözlemlendi.[12]Bu deneylerde, atomlar ve boşluk arasındaki bağlantı, iki sistem arasında doğrudan bir çift kutuplu bağlantı ile elde edilmez, bunun yerine atomlar, uyarılmış bir pompayı çalıştıran harici bir pompa ile aydınlatılır. Raman geçişi Bu iki foton süreci, iki seviyeli sistemin durumunu değiştirmesine neden olur. aşağı -e yukarıveya tersineve boşluğa bir foton yayar veya emer (bkz. 3Deneyler, pompa yoğunluğu kritik bir eşiği geçtiğinde boşluktaki foton sayısının dik bir artış gösterdiğini gösterdi.Bu eşik, Dicke modelinin kritik eşleşmesi ile ilişkilendirildi.

Deneylerde, iki farklı fiziksel durum seti kullanılmıştır. aşağı ve yukarı devletler. Bazı deneylerde[13][12],[14] iki durum farklı hızlara veya momentlere sahip atomlara karşılık gelir: aşağı devlet sıfır momentuma sahipti ve bir Bose-Einstein yoğunlaşması iken yukarı durum, bir boşluk fotonun momentumunun ve bir pompa fotonun momentumunun toplamına eşit bir momentuma sahipti.[15] Aksine, sonraki deneyler[16][17] iki farklı kullanıldı aşırı ince seviyeleri Rubidyum atomlarının manyetik bir alanda. İkinci farkındalık, araştırmacıların genelleştirilmiş bir Dicke modelini incelemelerine izin verdi (bkz. altında ). Her iki deneyde de, sistem zamana bağlıdır ve (genelleştirilmiş) Dicke Hamiltonian, bir dönen çerçeve pompanın frekansında.

Genelleştirilmiş model ve lazerleme

Dicke modeli, Denklemin Hamiltoniyenindeki ek terimlerin etkileri dikkate alınarak genelleştirilebilir. 1.[6] Örneğin, yeni bir deney[17] bağımsız olarak ayarlanabilen dönen ve ters yönde dönen terimlerle açık bir Dicke modeli gerçekleştirdi. Üstün geçişe ek olarak, bu genelleştirilmiş Dicke modeli bir Lasing dengesizlik ters lazer veya karşı-lasing.[6] Bu geçiş, Dicke modelinin ters dönen terimleriyle tetiklenir ve bu terimler dönen terimlerden daha büyük olduğunda en belirgindir.

Dengesiz üstünlük geçişi ve lazer kararsızlığının birkaç benzerliği ve farklılığı vardır. Her iki geçiş de ortalama alan tipindedir ve tek bir serbestlik derecesinin dinamikleri açısından anlaşılabilir. Üstün geçiş, bir süper kritik dirgen çatallanma lasing kararsızlığı, bir Hopf istikrarsızlığı. Bu iki tür çatallanma arasındaki temel fark, birincisinin iki kararlı çözüme yol açması, ikincisinin ise periyodik çözümlere yol açmasıdır (limit döngüleri ). Buna göre, süper radyan fazda kavite alanı statiktir (pompa alanı çerçevesinde), oysa lazerleme aşamasında periyodik olarak salınır.[6]

Ayrıca bakınız


Referanslar

Bu sayfanın erken bir versiyonu Ref.[18] Lütfen hakemli makalelerinizde bu referansı belirtin.

Bu makalede kullanılan tüm referansların konularına göre sınıflandırılmış listesi [19]

  • Dicke tarafından orijinal makaleler[2] ve Hepp ve Lieb tarafından[1]


-

  1. ^ a b c d e Hepp, Klaus; Lieb Elliott H (1973). "Nicelleştirilmiş bir radyasyon alanındaki moleküller için süper parlak faz geçişinde: dicke maser modeli". Fizik Yıllıkları. 76 (2): 360–404. doi:10.1016/0003-4916(73)90039-0. ISSN  0003-4916.
  2. ^ a b c d Dicke, R.H. (1954). "Spontane Radyasyon Süreçlerinde Uyum". Fiziksel İnceleme. 93 (1): 99–110. doi:10.1103 / PhysRev.93.99. ISSN  0031-899X.
  3. ^ Spin operatörlerinin genellikle şu şekilde temsil edildiğini unutmayın: Pauli matrisleri ilişki yoluyla . Bazı Referanslarda, Dicke modelinin Hamiltoniyeni, spin operatörleri yerine Pauli matrisleri cinsinden temsil edilir.
  4. ^ a b Larson, Jonas; İrlandalı, Elinor K (2017). "Hafif madde sistemlerinde 'süper parlak' faz geçişleri üzerine bazı açıklamalar". Journal of Physics A: Matematiksel ve Teorik. 50 (17): 174002. doi:10.1088 / 1751-8121 / aa65dc. ISSN  1751-8113.
  5. ^ a b Görmek Garraway, B.M. (2011). "Kuantum optiğindeki Dicke modeli: Dicke modeli yeniden ziyaret edildi". Royal Society A'nın Felsefi İşlemleri: Matematik, Fizik ve Mühendislik Bilimleri. 369 (1939): 1137–1155. doi:10.1098 / rsta.2010.0333. ISSN  1364-503X. ve buradaki referanslar.
  6. ^ a b c d e Görmek Kirton, Peter; Güller, Mor M .; Keeling, Jonathan; Dalla Torre, Emanuele G. (2018). "Dicke Modeline Giriş: Dengeden Dengesizliğe ve Vice Versa". Gelişmiş Kuantum Teknolojileri: 1800043. doi:10.1002 / qute.201800043. hdl:10023/18678. ISSN  2511-9044. ve buradaki referanslar.
  7. ^ a b Scully, Marlan O .; Zubairy, M. Suhail (1997). Kuantum Optiği. Cambridge University Press. doi:10.1017 / CBO9780511813993.
  8. ^ a b Gross, M .; Haroche, S. (1982). "Superradiance: Kolektif spontane emisyon teorisi üzerine bir deneme". Fizik Raporları. 93 (5): 301–396. doi:10.1016/0370-1573(82)90102-8. ISSN  0370-1573.
  9. ^ a b Frisk Kockum, Anton; Miranowicz, Adam; De Liberato, Simone; Savasta, Salvatore; Nori, Franco (2019). "Işık ve madde arasında son derece güçlü bağlantı". Doğa İncelemeleri Fizik. 1 (1): 19–40. doi:10.1038 / s42254-018-0006-2. ISSN  2522-5820.
  10. ^ a b Dimer, F .; Estienne, B .; Parkins, A. S .; Carmichael, H.J. (2007). "Optik boşluk QED sisteminde Dicke modeli kuantum faz geçişinin önerilen gerçekleştirilmesi". Fiziksel İnceleme A. 75 (1). arXiv:quant-ph / 0607115. doi:10.1103 / PhysRevA.75.013804. ISSN  1050-2947.
  11. ^ a b Nagy, D .; Kónya, G .; Szirmai, G .; Domokos, P. (2010). "Optik Boşluktaki Bose-Einstein Kondensatının Kuantum Hareketinde Dicke-Model Faz Geçişi". Fiziksel İnceleme Mektupları. 104 (13). arXiv:0912.3260. doi:10.1103 / PhysRevLett.104.130401. ISSN  0031-9007.
  12. ^ a b c Baumann, Kristian; Guerlin, Christine; Brennecke, Ferdinand; Esslinger Tilman (2010). "Optik bir boşlukta süperakışkan bir gazla Dicke kuantum faz geçişi". Doğa. 464 (7293): 1301–1306. arXiv:0912.3261. doi:10.1038 / nature09009. ISSN  0028-0836.
  13. ^ a b Siyah, Adam T .; Chan, Hilton W .; Vuletić, Vladan (2003). "Atomların Uzaysal Kendiliğinden Örgütlenmesinden Kaynaklanan Kolektif Sürtünme Kuvvetlerinin Gözlenmesi: Rayleigh'den Bragg Saçılmasına". Fiziksel İnceleme Mektupları. 91 (20). doi:10.1103 / PhysRevLett.91.203001. ISSN  0031-9007.
  14. ^ a b Klinder, Jens; Keßler, Hans; Wolke, Matthias; Mathey, Ludwig; Hemmerich Andreas (2015). "Açık Dicke modelinde dinamik faz geçişi". Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. 112 (11): 3290–3295. doi:10.1073 / pnas.1417132112. ISSN  0027-8424.
  15. ^ a b Ritsch, Helmut; Domokos, Peter; Brennecke, Ferdinand; Esslinger Tilman (2013). "Kavite tarafından üretilen dinamik optik potansiyellerdeki soğuk atomlar". Modern Fizik İncelemeleri. 85 (2): 553–601. arXiv:1210.0013. doi:10.1103 / RevModPhys.85.553. ISSN  0034-6861.
  16. ^ a b Zhiqiang, Zhang; Lee, Chern Hui; Kumar, Ravi; Arnold, K. J .; Masson, Stuart J .; Parkins, A. S .; Barrett, M.D. (2017). "Bir spin-1 Dicke modelinde denge dışı faz geçişi". Optica. 4 (4): 424. arXiv:1612.06534. doi:10.1364 / OPTICA.4.000424. ISSN  2334-2536.
  17. ^ a b c Zhang, Zhiqiang; Lee, Chern Hui; Kumar, Ravi; Arnold, K. J .; Masson, Stuart J .; Grimsmo, A. L .; Parkins, A. S .; Barrett, M.D. (2018). "Boşluk destekli Raman geçişleri aracılığıyla Dicke modeli simülasyonu". Fiziksel İnceleme A. 97 (4). arXiv:1801.07888. doi:10.1103 / PhysRevA.97.043858. ISSN  2469-9926.
  18. ^ Güller, Mor M .; Dalla Torre, Emanuele G. (2020). "Dicke modeli". PLOS ONE. 15 (9): e0235197. doi:10.1371 / journal.pone.0235197. ISSN  1932-6203.
  19. ^ Tüm referanslar, DOI Wikipedia referans oluşturucu