[論文レビュー] Classical-field description of the quantum effects in the light-atom interaction

Sergey A. Rashkovskiy|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2016

Quantum optics and atomic interactions参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、量子化を必要とせずに、光-原子相互作用における量子的効果（特に自発的放出および光電効果）を完全に記述できる古典的場理論の枠組みを提案する。この理論は、古典的電磁気学に基づく修正された場理論的手法によって、原子の励起、減衰、および主要な光電効果の法則が自然に導かれることが示されている。

ABSTRACT

In this paper I show that light-atom interaction can be described using purely classical field theory without any quantization. In particular, atom excitation by light that accounts for damping due to spontaneous emission is fully described in the framework of classical field theory. I show that three well-known laws of the photoelectric effect can also be derived and that all of its basic properties can be described within classical field theory.

研究の動機と目的

• 光-原子相互作用における量子的効果が、量子化を伴わずに古典的場理論によって完全に記述可能であることを示すこと。
• 自発的放出に起因する原子の励起および減衰が、古典的枠組みにおいて自然に出現することを示すこと。
• 光電効果の三法則を古典的場力学から導出すること。
• 古典的電磁気学と原子遷移における観測された量子現象を調和させること。
• 光-物質相互作用の標準的量子場理論記述の古典的代替を提供すること。

提案手法

• 修正された波動方程式を用いて、原子系と結合する電磁場の古典的場理論を定式化する。
• 自発的放出に類似したエネルギー損失をモデル化するため、古典的場方程式に減衰項を導入する。
• 入射光場による原子励起を古典的場方程式を用いてモデル化する。
• 単色放射に対する古典的場応答から光電効果の法則を導出する。
• 古典的場系におけるエネルギーおよび運動量のバランスを用いて、光電効果のしきい値および強度依存性を再現する。
• 場のエネルギーおよび放射反力の解析により、量子的選択則および放射統計を回復する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁場を量子化することなく、自発的放出および原子の励起を記述できるか？
• RQ2 光電効果の三法則が、どの程度古典的場力学から導出可能か？
• RQ3 古典的場理論は、光電実験で観測されたしきい値周波数および即時的放出をどのように再現するか？
• RQ4 減衰項は、古典的場モデルにおいて量子崩壊過程を模倣するためにどのような役割を果たすか？
• RQ5 古典的場理論は、原子遷移における光の粒子的性質を説明できるか？

主な発見

• 現象的減衰項を含む古典的場理論は、自発的放出に関連するエネルギー損失および崩壊ダイナミクスをうまく再現している。
• 光電効果の三法則（しきい値周波数、即時的放出、光周波数に比例する光電子の運動エネルギーの線形依存性）が、古典的場方程式から導出された。
• 光による原子励起が、光子の概念を必要とせず、古典的場相互作用の直接的結果であることが示された。
• 場の即時的応答によって、低強度照明下でのエネルギー蓄積の欠如が説明された。
• 場の共鳴およびエネルギー移動メカニズムを通じて、原子におけるエネルギー吸収の離散的性質が古典的枠組みで説明可能である。
• 理論は、光-原子相互作用における運動量移動を一貫した古典的記述で与え、光子を仮定せずに実験的観測と一致する。