2準位系の量子論

2準位系の量子論①2準位系とは

現代の量子力学においては水素原子や単一光子などのミクロ系に留まらず分子, アミノ酸, タンパク質, 液体, 固体, 猫? などマクロ系も第一原理的に扱えるまでに近似法や数値計算手法が発展して来ました. またこれらのマクロ系が外界との相互作用を通じてどのように時間発展するのかについても大規模な計算で調べることが出来ます.
この連載では2つのエネルギー準位のみを持つ単純な量子系である2準位系と電磁波との相互作用を題材に, 相互作用する量子系の時間発展について紹介します.

2準位系とは

ある量子系が基底状態\(|g>\)と励起状態\(|e>\)のみを持つと考えるときこの系を2準位系と呼びます. 電子のスピンなどは厳密に2準位系ですが, 例えば原子や分子の基底状態の電子が第一励起状態とのエネルギー差に相当する周波数の電磁波と相互作用しているときなども近似的に2準位系と見なすことが出来ます. 超微細構造遷移などについても同様のことが言えます.
このように2準位系と見なせる状況は多くあります.

2準位系の魅力

2準位系ではその単純さ故に環境との相互作用によるダイナミクスも比較的容易に解析できるという魅力があります. 電磁波との相互作用だと例えばラビ振動, 真空ラビ分裂, ブロッホシーゲルト効果などといった分光実験で重要な多くの現象を説明することができます.

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