Auf dem Gebiet der Quantenoptik ist beim Lösen von Hauptgleichungen bekannt, dass die Populationen 1 im treibenden Feld Konstanten linearer Ordnung sind. Dh schwache Antriebsfelder wirken sich nur auf die Kohärenzen außerhalb des Systems aus.
Mich interessiert, wie diese Aussage präzisiert werden kann und welches das allgemeinste System ist, das sie auch anwendet. Bisher konnte ich nur Ableitungen für Beispielsysteme (zB Zwei-Ebenen-System) und ungenaue Aussagen zu diesem Begriff finden.
Um es etwas formaler zu machen: Es sei ein allgemeines Mehrebenensystem mit unspezifizierten Kopplungen zwischen den Ebenen und einem Verlustkanal von jeder Ebene. Das System wird von einem harmonischen Feld gegebener Frequenz und Intensität angetrieben und koppelt an (einige der) Niveaus über einen Dipol-Approximations-Hamilton-Operator. Unter welchen Bedingungen ändern sich bei einem solchen System die Populationen 1 nur in zweiter Ordnung des Fahrfeldes und wie lässt sich dies allgemein nachweisen?
Als Beispiel sei eine typische Master-Gleichung für ein Zwei-Ebenen-System genannt
Wo sind die Hebe- und Senkoperatoren für das zweistufige System, ist die Systemdichtematrix im Interaktionsbild und ist der Laser treibende Hamiltonoperator. ist proportional zum Treiberfeld und dem Dipolmatrixelement.
Löst man dieses System (am einfachsten findet man zB den eingeschwungenen Zustand) sieht man, dass die Populationen 1 von der Ansteuerung in linearer Reihenfolge nicht betroffen sind . Beachten Sie, dass es bei der Frage nicht um ein Beispiel geht, sondern darum, diesen Begriff in seiner allgemeinsten Form zu formulieren und zu beweisen.
1 Die diagonalen Elemente der Dichtematrix.
Ich werde ein allgemeines Mehrebenensystem betrachten. Lassen Sie uns wie in Ihrem Beispiel schreiben für die Dichtematrix des Systems im Wechselwirkungsbild. Das bedeutet, dass die Populationen des Systems* die diagonalen Einträge von sind ,
Allgemein lässt sich das System Hamiltonian (im Wechselwirkungsbild) in zwei Teile aufteilen:
Die Zeitentwicklung der Dichtematrix ist dann
Nehmen Sie nun an, dass die Dichtematrix anfänglich diagonal ist:
Die Dissipation tut sofort ihre Arbeit, aber das Fahren wird die Populationen erst nach kurzer Zeit verändern, wenn ist nicht mehr diagonal:
Sie sehen, dass der Effekt ganz allgemein ist: Das treibende Feld verändert die Populationen nur in zweiter Ordnung. Und es ist leicht zu verstehen, warum: (1) sagt uns, dass die Veränderung der Populationen auf ist proportional zu den Kohärenzen. Ist das System zunächst diagonal, muss das Fahren diese Zusammenhänge erst herstellen.
Wenn das System anfänglich nicht diagonal ist, ist die ganze Aussage überhaupt nicht wahr. Betrachten Sie Ihr Beispiel ohne den dissipativen Teil, der leicht gelöst werden kann. Für , du erhältst
Nach einer -Impuls, das System ist im Zustand . Lassen Sie uns zum Beispiel sehen, was passiert, wenn wir in diesem Zustand beginnen, :
*Nebenbemerkung: Dies gilt nur für das Interaktionsbild. Ohne das Interaktionsbild sind die Populationen , Wo sind die - im allgemeinen zeitabhängigen - Eigenvektoren des Systems Hamiltonoperator.)
Die Frage wird eigentlich nicht durch die Tatsache beeinflusst, dass das System dissipativ ist (außer dass die Disspation viel stärker ist als das Fahren, aber dann macht die Frage überhaupt keinen Sinn), sodass Sie nicht den vollständigen Ansatz der Master-Gleichung benötigen, sondern sich mit der Hamilton-Dynamik befassen könnten .
Allerdings müssen Sie sich zuerst daran erinnern, wie Ihre Hauptgleichung hergeleitet wurde. Die 'Bibel' in der Quantenoptik sind die Cohen-Tannoudjji - Atom-Photon-Wechselwirkungen, wobei die Herleitung der quantenoptischen Hauptgleichung in Kapitel IV-B beschrieben wird. Es beginnt mit der Einführung des vollständigen Hamiltonoperators
Die Liouville-von Neuman-Gleichung des Gesamtsystems, gekennzeichnet durch einen Dichteoperator ,wird im Interaktionsbild durch gegeben
In jedem Fall starten Sie immer mit dem vollen exakten Modell . Formal lösen Sie es, indem Sie die letzte Gleichung integrieren, wo Sie erhalten
Die letzten Schritte, die ich hier gemacht habe, könnten weiter wiederholt werden. Der nächste Schritt würde einen Kommutator dritter Ordnung ergeben usw. Wenn Sie hier genau hinsehen, erinnert es uns an die Herleitung der Dyson-Reihe oder die Herleitung der Übergangsamplituden in der zeitabhängigen Störungstheorie. Es erinnert uns nicht daran, es sind die gleichen Begriffe, die in allen drei Ansätzen vorkommen.
Bei der Herleitung der Master-Gleichung ist der nächste Schritt die Born-Näherung , bei der man die Kopplungen höherer als zweiter Ordnung vernachlässigt (die implizit in enthalten sind Und ) Durch Ersetzen Und von , so dass wir erhalten
Die nächsten Schritte wären jetzt die Spur über die Badvariablen, die Markov-Näherung usw. Aber für den Punkt, den ich versuche zu machen, ist es nur wichtig zu erkennen, dass die Annahme der Born-Näherung auf diese Weise einer Störung zweiter Ordnung entspricht Theorie, siehe auch z. B. The Markov Master Equations and the Fermi Golden Rule, Alicki, R. Int. J. Theor Phys (1977) 16: 351 . Deshalb setze ich meine Argumentation mit den Begriffen der Störungstheorie fort.
In der Störungstheorie geht die Proportionalität des treibenden Feldes über die Ordnung in die Terme ein. Normalerweise wird die erste Bestellung berücksichtigt, wenn Sie Begriffe des Formulars haben (natürlich im Interaktionsbild). , Wo Und sind der Anfangs- und Endzustand, und ist das Interaktionspotential, das vermutlich proportional zu Ihrem Fahrfeld ist.
In zweiter Ordnung haben Sie Begriffe der Form . wobei die Summe über alle Zwischenzustände geht . Dies sind also die Wechselwirkungsterme, bei denen der Übergang im Fahrfeld zweiter Ordnung wäre.
Kommen wir zu Ihrer Hauptfrage: Wenn Sie möchten, dass sich die Populationen nur in zweiter Ordnung ändern, müssen Sie die erste Ordnung verschwinden lassen. Das heißt, Sie wählen eine Wechselwirkung und die Zustände so, dass die Matrixelemente erster Ordnung Null sind. Ein Beispiel hierfür ist ein Dipol-Strahlungsfeld, das auf einen elektrischen Quadrupol-Übergang einwirkt.
Ein Beispiel ist der SD-Übergang in wasserstoffähnlichen Atomen.
Da Sie wissen wollen, wie Sie die Bedingungen finden und wie Sie dies im Allgemeinen beweisen können, müssen Sie den Schritten zur Ableitung Ihrer Master-Gleichung aus der Störungstheorie folgen , wo Sie dann die Symmetrien der atomaren Operatoren in Bezug auf Ihren Wechselwirkungs-Hamilton-Operator identifizieren. Dies hängt jedoch wirklich von den Besonderheiten des Systems ab, das Sie in Betracht ziehen.
Ein Beispiel für diesen Ansatz, den eine Schnellsuche ergab, ist arXiv:1608.04163
domj33
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