[論文レビュー] On the theory of the anomalous photoelectric effect stemming from a substructure of matter waves

Volodymyr Krasnoholovets|ArXiv.org|Jun 24, 1999

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 49被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、電子の拡張構造とインハートン雲（空間の量子化励振）に基づく準微視的量子理論を提案し、強力なレーザー放射下における異常なホール効果を説明する。電子を点粒子でない対象としてモデル化し、そのインハートン雲を通じてコherentな光子と相互作用させることで、多光子モデルと有効光子モデルの間の不一致を解消する。光強度が増加するにつれ仕事関数が低下し、光子エネルギーが電離閾値よりもはるかに低い場合でも電離が可能になることが示され、これは光子エネルギーが電離閾値をはるかに下回る状況でも電離が観測される現象を説明する。

ABSTRACT

The two opposite concepts - multiphoton and effective photon - readily describing the photoelectric effect under strong irradiation in the case that the energy of the incident light is essentially smaller than the ionisation potential of gas atoms and the work function of the metal are treated. Based on the submicroscopic construction of quantum mechanics developed in the previous papers by the author [Phys. Essays vol. 6, 554 (1993); vol. 10, 407 (1997)] the analysis of the reasons of the two concepts discrepancies is led. Taking into account the main hypothesis of those works, i.e., that the electron is an extended object that is not point-like, the study of the interaction between the electron and a photon flux is carried out in detail. A comparison with numerous experiments is performed.

研究の動機と目的

• 強力なレーザー放射下における異常光電効果を説明する際の、多光子モデルと有効光子モデルの長年の不一致を解消すること。
• 電子が点粒子ではなく、物質波の内部構造を示す動的なインハートン雲を有する拡張物体であるという準微視的量子理論を構築すること。
• 金属中の電子の仕事関数や気体中の電離ポテンシャルが、高強度光下で強度依存的であることを示し、標準量子力学とは対照的に、これにより電離が可能になること。
• インハートン雲による集団的吸収を通じて、光子エネルギーが電離閾値よりもはるかに低い場合でも観測される電離の物理的メカニズムを提供すること。
• 標準的な運動量演算子 $\vec{p} - e\vec{A}$ を、インハートン雲と相互作用する $\mathcal{N}$ 個のコherent光子を表す $\mathcal{N}$ を用いて $\vec{p} - e\mathcal{N}\vec{A}$ に再定式化すること。

提案手法

• 著者の先行研究（参考文献[1–3]）に基づき、電子が点粒子ではなく拡張物体であるという準微視的量子力学の枠組みを採用する。
• 移動する粒子によって生成される、空間の真空の量子化励振である「インハートン雲」を導入し、その空間的スケールは $\Lambda = \lambda c / v_0$ で与えられる。ここで $\lambda$ はド・ブロイ波長、$v_0$ は粒子の速度である。
• 光子束と電子のインハートン雲との相互作用を、$\mathcal{N}$ 個の光子を含む集団的・コherentなプロセスとしてモデル化し、有効光子吸収メカニズムを導出する。
• 標準的な摂動論の線形化版を用いて、電離のための修正された確率振幅を導出する。これにより、標準的な $\mathcal{N}$ 光子吸収を、インハートン雲を介する単一の有効相互作用に置き換える。
• 標準的な電磁気的結合 $\vec{p} - e\vec{A}$ を、インハートン雲とコherentに相互作用する光子数 $\mathcal{N}$ を含む $\vec{p} - e\mathcal{N}\vec{A}$ に置き換える。
• 理論的予測を希土類ガスのレーザー誘発電離および金属からの光放出実験データと比較し、強度依存する仕事関数の挙動と定量的に一致することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 入射光子エネルギーが電離ポテンシャルや仕事関数よりも著しく低い場合に、なぜ気体や金属からの電離が起こるのか。
• RQ2 強力なレーザー誘発電離を記述する際の、多光子モデルと有効光子モデルの間の不一致を説明する物理的メカニズムは何か。
• RQ3 電子の拡張構造とその関連するインハートン雲は、観測された強度依存電離閾値を説明できるか。
• RQ4 強い電磁場下で、集団的光子吸収を考慮するにあたり、標準的な電磁気的結合 $\vec{p} - e\vec{A}$ はどのように修正されるべきか。
• RQ5 Briner ら[67]の実験で観測された「$\psi$-関数の像」は、波動関数そのものではなく、空間の物理的摂動（インハートン雲）として解釈できるか。

主な発見

• 理論は、光子エネルギーが低いため標準的な多光子理論が失敗する強力なレーザー放射下における希土類ガスおよび金属の異常光電効果を成功裏に説明する。
• 仕事関数 $W(I)$ が光強度 $I$ の増加に伴い低下することが示され、$h\nu \ll W_0$ の場合でも電離が可能になる。有効エネルギー閾値は $\varepsilon_{\text{max}} = \mathcal{N}h\nu - W(I)$ で与えられる。
• 速度 $v_0 \ll c$ のとき $\Lambda \gg \lambda$ となるインハートン雲は、高次摂動論を必要とせず、非線形応答を説明する集団的光子吸収の物理的メカニズムを提供する。
• 強い場下では、標準的な運動量演算子を $\vec{p} - e\mathcal{N}\vec{A}$ に一般化する必要がある。これは、インハートン雲を通じた強い電子-光子結合を反映している。
• Briner ら[67]の観測結果のように、「$\psi$-関数の像」として解釈されてきた現象は、数学的波動関数そのものではなく、空間の実際の変形（インハートン雲）として再解釈されるべきである。
• 理論は、現象的有効光子モデルと、空間の物理的性質および電子の拡張的性質に基づくより深い準微視的メカニズムを統合する統一的枠組みを提供する。