光原子、光の衣をまとった原子!?

1937年、アメリカ人物理学者イジドール・ラービは、原子がどのようにして光の粒子を放出して吸収しているかを説明するための単純モデルを発表しました。現在まで、このモデルは未だに完全には説明されてはいません。最近の研究論文で、物理学者は、初めて厳密数値手法を使っています。その手法は、光子吸収・光子放出現象を説明するために設計された量子モンテカルロ法です。これらの発見は、フランスにあるニース・ソフィアアンティポリス非線形機関のFlottat博士とその同僚達によって、European Physical Journal D誌に最近掲載されました。彼等は、過去に近似シミュレーション法で得られた計算結果を確認しました。

光原子は、光源氏みたいですが、ただ言いたかっただけです。

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ラビ模型

When quantum scale affects the way atoms emit and absorb particles of light

According to the Rabi model, when an atom interacts with light in a cavity, and they reach a state of equilibrium, the atom becomes “dressed” with photons. Because this takes place at the quantum scale, the system is, in fact, a superposition of different states—the excited and unexcited atom—with different numbers of photons.

「ラビ模型によると、原子が、キャビティ内で光と相互作用し、それらが平衡状態に達した場合、原子は光子をまとい始めます。これは量子スケールで起こるので、その系は、事実上、原子が励起も非励起もしていない、異なる光子数を持った、異なる状態の重ね合わせです。」

光子の数で重ね合わせの状態が変わるみたいな感じです。ラビ模型はラビー模型でもラビーモデルでもないみたいです。ラビ模型かRabiモデル、あるいは、Rabi模型、または Rabi modelというように使われているみたいです。

量子モンテカルロアルゴリズム

In the study, the team adapted a quantum Monte Carlo algorithm to address this special case. They created a novel version of the existing algorithm, one which accounts for the fluctuating number of photons. This made it possible to study atoms dressed with up to 20 photons each. No other existing exact simulation method—including the exact diagonalisation and density matrix renormalisation group approaches—can factor in these effects.

「研究の中で、チームは、この特殊な問題を扱うために、量子モンテカルロアルゴリズムを適用しています。彼等は、既存のアルゴリズムの新しいバージョンを作りました。それは光子の数が変動するのを考慮に入れているものです。この事が、1原子につき最大20個の光子を纏う原子を研究するのを可能にしています。厳密対角化法や密度行列織り込み群法を含む、既存の精密シミュレーション法は、これらの作用を計算に入れることはできません。」

この辺の数学的な事はちんぷんかんぷんです。留学時代に色々やっているんですが、綺麗さっぱり忘れてサラの状態になっています。

量子スケール

The authors found that there are dramatic consequences at for strongly coupled light-atom systems. They showed that it is essential to take into account the effects resulting from the number of excitations not being conserved, because the atom-photon coupling is substantial enough for these effects to matter. For example, in a conventional light-atom coupling experiment in a macroscopic cavity, the coupling is so small that an atom is, on average, dressed with much less than one photon. With a coupling that is increased by a factor of, say, ten thousands, physicists have observed dressed states with tens of photons per atom.

「著者達は、量子スケールで強い結合の光ー原子系に対する劇的な結果が存在することを発見しました。彼等は、原子-光子カップリングが、これらの作用にとって問題になるのに十分実質的なので、保存されない励起数に起因する影響を考慮に入れることが必須であることを明らかにしました。例えば、巨視的キャビティにおける従来型の光-原子結合実験で、その結合はあまりにも小規模なので、原子は平均して、1個よりもはるかに少ない光子を纏っています。およそ数万倍に増大された結合で、物理学者たちは、1個当たり、数十個もの光子を纏った原子を観測しています。」

マクロスコピックに対する、量子スケールということなんでしょうけど、量子スケールだと現実では有り得ないことが起こり得るので、本当に不思議な世界としか言えません。cavityという単語はよく分かりません。虫歯、穴、空洞の他に、cavity resonator (空洞共振器)をただ単にcavityと言い表す例もあるので、キャビティと訳すのが無難みたいです。巨視的という言い回しがしっくりきませんが、仕方ないです。

dressed stateは光ドレスト状態と言われ、光子エネルギー毎に量子化されている状態、あるいは、光の衣をまとう事でエネルギー的に分裂している状態のことのようです。光の衣を纏うとか、天の羽衣の話を思い出しますが、あれは天女が出て来る、三保の松原の羽衣伝説なのですが、子供の頃にかなり読まされているにもかかわらず、全く覚えていません。七夕伝説とごちゃごちゃになっていて、彦星と天女の話みたいになっています。

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