1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - aist...414-2 波動関数 ( ) i ht t ˆ ( )...

23
(付録) 「電気感受率:半古典論(1)」 1. 波動関数 2. 古典論から半古典論へ 3. 電気感受率 4. 複素数表示と実数表示 5. 二準位系のハミルトニアン 6. パウリ行列 7. 密度行列 8. 演算子行列要素 9. 密度行列の運動方程式 暫定版 修正・加筆の可能性あり 付録(414、5)のアプローチ:半古典論(semiclassical theory1. 電気感受率(複素数)を半古典論で求める。古典論と半古典論の比較を行う。 2. 電磁波(光)は古典的に扱う。(振動電場E:実数) 3. 分極振動に関与する電子のみ量子的に扱う。(電子位置:演算子) 4. 本付録の内容は量子力学の基本的な知識を必要とします。 5. 参考文献:P. Meystre and M. Sargent IIIElements of Quantum Optics, Third Editionp.103Sptinger 6. 和訳版:矢島、清水(共訳)「量子光学の基礎」p.113、シュプリンガー・フェアラーク東京 414-1

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Page 1: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

(付録) 「電気感受率:半古典論(1)」 1. 波動関数 2. 古典論から半古典論へ 3. 電気感受率 4. 複素数表示と実数表示 5. 二準位系のハミルトニアン 6. パウリ行列 7. 密度行列 8. 演算子行列要素 9. 密度行列の運動方程式

暫定版 修正・加筆の可能性あり

付録(414、5)のアプローチ:半古典論(semiclassical theory) 1. 電気感受率(複素数)を半古典論で求める。古典論と半古典論の比較を行う。 2. 電磁波(光)は古典的に扱う。(振動電場E:実数) 3. 分極振動に関与する電子のみ量子的に扱う。(電子位置:演算子) 4. 本付録の内容は量子力学の基本的な知識を必要とします。 5. 参考文献:P. Meystre and M. Sargent III「Elements of Quantum Optics, Third Edition」p.103、Sptinger 6. 和訳版:矢島、清水(共訳)「量子光学の基礎」p.113、シュプリンガー・フェアラーク東京

414-1

Page 2: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-2

波動関数

( ) ( )ˆti H t

ψ∂

=∂

エイチバー:h/2π(プランク定数: Planck's constant )

シュレーディンガー方程式 Schrodinger equation 本当は「ウムラルト:o」

ハミルトニアン:Hamiltonian ハット:演算子(operator)

自由電子(一個)の場合:簡単のためz成分のみ

22 2 2

2

ˆˆ2 2pH i im z t m z

ψ ψ∂ ∂ ∂ = → − ⇒ = − ∂ ∂ ∂

波動関数 wave function

( ) ( ), expz t i kz tψ ω∝ −

波動関数(物質波):前進進行波(+z軸) アインシュタイン、ド・ブロイの関係式

お約束:本付録では • 虚数単位「i」を使用 • 波動関数と電磁波(光)の複素数表示を

一致させる。参照:412-12

波動関数(物質波)と区別するため • 光波の角周波数(ν):ニュー • 光波の波数K:大文字 • 振幅:赤色(正実数)、青色(複素数)

,E p kω= =

( )

( )

cos

expi i

Kz t

i KA

A A

z t

e e

A

Aφ φ

ν φ

ν− −

− −

= =

電子の運動エネルギー

2 2E p m=

Page 3: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-3

古典論から半古典論へ(1)

古典論の分極振動 • 電気感受率χ: electric susceptibility • 誘電分極Pが電場Eに比例する場合に限定

0ε χ=P E

複素数表示:電場E、平面進行波(+z軸)

( ) ( ), expxE z t iA Kz tν= −

電気感受率:参照412-14 • 実部と虚部:媒質の屈折率と損失 • 虚数部の符号に注意(ーνのため)

' ''iχ χ χ= +

分極振動: • 振動電場Eに誘われて伸縮する電気双極子の

集団運動(参照:411-20) • 電気双極子モーメントベクトルpの向き:電

子から原子核(正電荷)

( )tr

伸縮する電気双極子 • 例:横並び(一次元) • 青丸:電子、赤丸:原子核 • 光の波長より短い微小領域

( ) 0t =r

時間経過

z軸

( )e t=p r( )tr

Page 4: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-4

古典論から半古典論へ(2)

半古典論のための準備(まだ、古典論ですが) • ある一個の原子に注目:電気双極子モーメントを

計算して最後に「N:単位体積に存在する電気双極子数」を掛ける。

• 原子核の位置ベクトル • 原子核の位置の座標系:大文字 • 原点は任意

• 原子核を基準とした束縛電子の位置ベクトル • 電子の位置の座標系:小文字 • 原点は原子核

( ), ,X Y Z=R

( ), ,x y z=r

( ), ,x y z=r原子核

座標系:イメージ

電子

原子核の位置座標の原点

O

( ), ,X Y Z=R

Z軸

X軸

Y軸

N=P p

Page 5: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

• 簡単のため:「原子核の位置:R」の振動電場EはX成分のみ、平面進行波(+Z軸)とする。

• 原子核位置:大文字を使用 • 添字:大文字を使用

414-5

古典論から半古典論へ(3)

半古典論のための準備 • 電気双極子モーメント • 負符号の意味:ベクトルの向き • 古典論:電子から原子核(正電荷) • 半古典論:原子核から電子

古典論 半古典論への準備

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )

, ,0,0

, , , ,

, exp

X

X X

X

t E

E t E X Y

A

Z t

E Z t i KZ tν

=

=

= −

E R

R

e e= → −p r r

• 誘電分極P:電気双極子モーメントに「N:単位体積に存在する電気双極子数」を掛ける。

• 振動電場Eが「位置Zと時間tのみに依存する」から、振動電場Eに誘われて伸縮する電気双極子も「Zと時間tのみに依存する」と考える。

ややこしいかな? • 原子は電磁波(光)の波長よりも小さい • 原子は波長程度の微小領域内に蜜に存在する。 • 異なる場所(異なるZ)に位置する原子は異なる電場Eを

感じる。 • 振動電場Eは「原子核の位置:Z」に依存する。 • 原子核と束縛電子との距離(原子半径)は波長よりも十分

に短いから、両者は同じ電場を感じる。 • 以後、 「原子核の位置」を「原子の位置」と表記する。 • 原子全体が感じる振動電場Eは「原子の位置:Z」に依存

する。

( ) ( ), , , ,t X Y Z t Ne= = −P R P r

( ) ( ), , ,Z t Ne Z t= − =P r r r

Page 6: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-6

古典論から半古典論へ(4)

半古典論:束縛電子のみ量子的に扱う • 原子の位置:「X、Y、Z」は実数扱い

• 束縛電子の位置:位置演算子 • 「r、x、y、z」は演算子扱い • 演算子:「ハット」で区別 • シュレーディンガー像(Schrodinger picture)のた

め、演算子は時間に無依存

• 誘電分極Pも演算子:時間依存無

• ある一個の原子に注目:最後にNを掛ける。 • 運動量pと区別せよ!(参照:414-2) • 以後、本付録では運動量pを使用しない。 • 「p:小文字」は電気双極子モーメントを意味する。

密度行列(演算子):density metrix

( ) ( ) ˆ, ,Z t Tr Z tρ = p p

半古典論:電気双極子モーメント

これからやりたいこと! • 束縛電子(二準位系)のハミルトニアン • 半古典論における誘電分極、電気感受率 • 密度行列の運動方程式 • 電気感受率(古典論)と(半古典論)を比較

密度行列: • 束縛電子(一個)の状態 • シュレーディンガー像において時間依存する唯

一の演算子 • 慣例:「ハット」はつけない。 • 他の演算子は時間変化に対して独立 • 振動電場Eは「原子の位置Z」に依存する。 • 電子状態を記述する密度行列も「原子の位置

Z」に依存する。

トレース:trace

( ), ,X Y Z=R

( )ˆ ˆ ˆ ˆ, ,x y z=r

ˆ ˆNe= −P r

ˆˆ ˆ ˆe N= − → =p r P p

Page 7: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-7

電気感受率(1):半古典論

古典論の場合:誘電分極

0ε χ=P E

• 複素数表示:誘電分極P、振動電場E • 複素数:電気感受率

半古典論の場合:誘電分極

[ ]ˆTr Nρ= → =p p P p

• 密度行列と電気双極子モーメント演算子との積のトレースで平均値を得る。但し、平均値は実数である。

• 振動電場Eも実数扱い。(ここがポイント!) • 最後に「N:単位体積に存在する電気双極子数」を掛ける。

( ) ( )0 00 0exp ,,Xi iE EE Z t Ki Z t eE Ee φ φν − −= − = =

赤色(正実数)、青色(複素数) 注意:特に強調したいときに色分けします。

振動電場E:複素数表示 簡単のため:X成分のみ非零

振動電場E:実数表示

( ) ( )

( ) ( )**00

2 . .

ex

,

pexp2 2

, XX c c

i Z ti Z

E Z t

Kt EKE

E Z t

νν

= +

− −− = +

複素共役:complex conjugate

Page 8: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

半古典論の場合

414-8

電気感受率(2):半古典論

( ) ( ) ˆ,, Tr ZZ t tρ = pp

電気双極子モーメント:実数

( ) ( ), 2 ., .X Xp Zp t cZ ct = +

対応関係:実数表示と複素数表示 簡単のため:X成分のみ非零

簡略化:X成分のみ • 電気感受率χ: electric susceptibility • 誘電分極Pが電場Eに比例する場合に限定

( ) ( ) ( ) ( ) ( )0, , , , 2 ., .XX X XXP Z t P Z t Pp Z t E Z tN t cZ cε χ= = = +

電気感受率:複素数

なにが言いたいのかな?:半古典論 •密度行列と電気双極子モーメント演算子の積のトレースにより平均値(実数)を得る。 •複素数表示の電気双極子モーメントと「その複素共役」の和(÷2)が実数表示に対応する。

N:単位体積に存在する電気双極子数

誘電分極:実数

( ) ( ), ,X XNP Z t p Z t=

対応関係:実数表示と複素数表示

Page 9: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-9

複素数表示と実数表示:波数

波数(複素数):参照411-18

( )0 0 0 1K cν ν εµ ν ε µ χ= = = +

0 00

01 1 1 12 2 2

Kc

K χ ν χ χχ ν ε µ → + = + = +

電気感受率:近似

00

'''' '' ', '' 0 12 2

KKi K i χχχ χ χ χ χ = + > → + +

真空中の波数:実数

00 0

'''1 ,2 2

KK K K Kn iKχχ = + = Γ = → + Γ

媒質中の波数:実数 媒質中の損失:実数 媒質中の屈折率:実数

虚数部の符号に注意(-νのため) 真空中の光速

Page 10: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-10

複素数表示と実数表示:振動電場

振動電場E:複素数表示

( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )

0

0

exp

exp exp

exp

,

,

X

X

i Z t

Z i Z

E Z t K

E Z t

K

E

E

E Z

t

i Z tK

ν

ν

ν

= −

= −Γ −

= −

関係を整理:複素数表示と実数表示

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

*0

0

*0

*

expexp2 2

expexp2 2

cos , e p

,

x

XE Z t

KK

E Z K E Z

KK

Z

E i Z ti Z t

i Z ti Z t

E

EE

E

Z

Z t Z

νν

νν

ν φ

− −− = +

− −− = +

= − − = −Γ

( ) ( )0 0

0

0

exp

i i

KE

KE E

E

ie

Z

e

ZE

φ φ− −

+ Γ

= =

= −Γ

Page 11: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

屈折率と損失:振動電場Eと誘電分極Pの関係

•in-phase:分極振動が大きくなると屈折率が増大、out-of-phase:損失が増大

414-11

複素数表示と実数表示:誘電分極(1)

誘電分極P:電気感受率(複素数表示)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

* *

*

* *

* *

10 e 2 e 2

' '' e 2 ' '' e 2

' 2 e

,

e '' 2 e e

' 2 e e '' 2 e e

K KX

K K

K K K K

K K K

i Z t i Z t

i Z t i Z t

i Z t i Z t i Z t i Z t

i Z t i Z t i Z t i KZ t

E E

E E

E E E E

E E E E

i i

P Z

i

Z Zt

i

ν ν

ν ν

ν ν ν ν

ν ν ν ν

ε

χ χ χ

χ χ

χ χ

χ

χ χ

− − −−

− − −

− − − − − −

− − − − − −

= +

= + + −

= + + − = + − −

( ) ( ) ( )0 e p, xXP Z t Z KE i Z tε χ ν= −

関係を整理:複素数表示と実数表示

電気感受率:虚数部の符号に注意(-νのため)

' ''iχ χ χ= +

屈折率 損失

( ) ( ) ( ) ( ) ( )0 0' cos '' s, inX Z t ZP Z t E Z K E K tZε χ ν φ ε χ ν φ= − − − − −

Page 12: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

屈折率と損失:振動電場Eと誘電分極Pの関係( 前頁と同じ結果)

•「実数の世界で」同じ結果を得るために「複素電気感受率の虚数部の符号」を反転させています。

414-12

複素数表示と実数表示:誘電分極(2)

誘電分極P:電気感受率(複素数表示)

( ) ( ) ( )0 e p, xXP Z t Z KtE i Zε χ ν= −

関係を整理:複素数表示と実数表示

電気感受率:虚数部の符号に注意(νのため)

' ''iχ χ χ= −

屈折率 損失

( ) ( ) ( ) ( ) ( )0 0' cos '' si, nXP Z t E Z Kt Kt ZEZ Zε χ ν φ ε χ ν φ= − + + − +

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

* *

*

* *

* *

10 e 2 e 2

' '' e 2 ' '' e 2

' 2 e e '' 2 e e

' 2 e e '' 2 e e

, i t Z i t Z

i t Z i t Z

i t Z i t Z i t Z i t

K KX

K K

K Z

i t Z i t Z i t Z i t Z

K K K

K K K K

E E

E E

E E E E

E E E E

P Z Z Z

i

i

i

t

i

ν ν

ν ν

ν ν ν ν

ν ν ν ν

ε

χ χ χ χ

χ χ

χ

χ χ

χ− − −−

− − −

− − − − − −

− − − − − −

= +

= − + +

= + − − = + + −

Page 13: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-13

二準位系のハミルトニアン(1)

ハミルトニアン:Hamiltonian

0ˆ ˆ ˆH H= −p E

右辺第一項:無摂動ハミルトニアン • ディラック(Dirac)表記を使用 • 二準位系

0

0

ˆ 2ˆ 2

a H a

b H b

ω

ω

=

= −

二準位系:two-level system

励起準位:上準位

基底準位:下準位

エネルギー差 ω

a

b

右辺第二項:相互作用ハミルトニアン

( )intˆ ˆ ˆ ˆH e e= − = − − =p E r E r E

( ) ( ) ( ), cosXE Z KEt tZ Z ν= −

電磁場(光):X成分のみ(初期位相:零)

( )intˆ ˆ ,XH exE Z t=

電気双極子と電磁波(光)の相互作用

お詫び:説明省略 • 電気双極子と電磁波(光)の相互作用ハミルト

ニアンの導出 • 参考文献:砂川「量子力学」p.327、岩波書店 注目:相互作用ハミルトニアン • 一様電場(電磁波:振動電場ではない!)と電

気双極子の相互作用エネルギーと同じ表現です。 • 参照:403-16

Page 14: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

相互作用ハミルトニアン:interaction

414-14

二準位系のハミルトニアン(2)

( )intˆ ˆ ,XH exE Z t=

電子遷移選択則:電子双極子遷移の場合 selection rules for an electric dipole transition • 波動関数の偶奇性 • 仮定:準位ab間で電気双極子放射可

ˆ ˆ 0

ˆ ˆ

a ex a b ex b

a ex b b ex a

= =

= =℘

( )( )

int

* *int

*

ˆ ,ˆ ,

ab X

ba X

ba ab

V a H b E Z t

V b H a E Z t

V V

= =℘

= =℘

=

行列要素:相互作用ハミルトニアン

複素共役

ハミルトニアン:行列表示

0 intˆ ˆ ˆH H H= +

0 3

1 0ˆ ˆ0 12 2

H ω ω σ

= = −

右辺第一項:無摂動ハミルトニアン

二準位系:two-level system

1 0,

0 1a b = =

a:励起準位:上準位 b:基底準位:下準位

右辺第二項:相互作用ハミルトニアン

int

0ˆ0ab

ba

VH

V

=

次頁:パウリ行列

Page 15: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-15

パウリ行列(1)

パウリ行列: Pauli matrices

( ) ( )

1

2

3

1 2

1 2

0 1ˆ ˆ ˆ ˆ

1 0

0ˆ ˆ ˆ ˆ

0

1 0ˆ ˆ

0 1

1 00 1

0 1ˆ ˆˆ0 02

0 0ˆ ˆˆ1 02

x

y

z

a b b a

ii b a a b i

i

a a b b

I a a b b

i a b

i b a

σ σ σ σ

σ σ σ σ

σ σ

σ σσ

σ σσ

+ −

− +

+

= = = + = +

= = = − = −

= = = − −

= = +

+= = =

= = =

特徴

2 2 21 2 3ˆ ˆ ˆ Iσ σ σ= = =

( ) ( )ˆ ˆ0, det 1i iTr σ σ= = −

1 2 3 2 3 1

2 1 3 1 1

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ,ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ,

i ii I

σ σ σ σ σ σσ σ σ σ σ

= == − =

二準位系:two-level system

エネルギー差

ω

a

b

Page 16: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-16

パウリ行列(2)

1 0,

0 1a b = =

a:励起準位:上準位、b:基底準位:下準位

複素共役

ハミルトニアン:Hamiltonian 相互作用ハミルトニアン:非対角要素が複素数

,ab baV i V iα β α β= − = +0 intˆ ˆ ˆH H H= +

int

1 2

0ˆ0

0 1 01 0 0

ˆ ˆ ˆ ˆx y

iH

i

ii

α βα β

α β

ασ βσ ασ βσ

− = +

− = +

= + = +

ハミルトニアン:パウリ行列表示

0 int

3 1 2

ˆ ˆ ˆ

ˆ ˆ ˆ2

ˆ ˆ ˆ2 z x y

H H Hω σ ασ βσ

ω σ ασ βσ

= +

= + +

= + +

行列要素:相互作用ハミルトニアン

( )( )

int

* *int

*

ˆ ,ˆ ,

ab X

ba X

ba ab

V a H b E Z t

V b H a E Z t

V V

= =℘

= =℘

=

Page 17: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-17

密度行列:誘電分極(1)

誘電分極

[ ]ˆN NTr ρ= =P p p

電気双極子モーメント

[ ] ( )( )

ˆ ˆ

ˆ ˆ ˆ ˆ, ,

Tr Tr e

x y z

ρ ρ = = − =

p p r

r

X成分のみに注目

( ) ( )ˆ ˆ

ˆ

, ˆX Tr ex a ep Z t x a b ex b

a a a ex a

ρ ρ ρ

ρ

= − = − −

= − ˆ ˆ ˆa b b ex a b a a ex b b b b ex bρ ρ ρ− − −

( )* *

ˆ ˆ

. .ab ba

ab ba ab

b ex a a ex b

c c

ρ ρ

ρ ρ ρ

= − −

= − ℘ − ℘= − ℘ +

( ) ( )* ˆ. . ,, bX a cp Z t c a ex bρ= − ℘ + ℘=

電気双極子モーメント(実数):X成分のみに注目

波動関数の偶奇性に由来:参照414-13

Page 18: 1. 2. 3. 電気感受率 4. 8. 演算子行列要素 - AIST...414-2 波動関数 ( ) i Ht t ˆ ( ) t ψ ψ ∂ = ∂ エイチバー:h / 2π(プランク定数: Planck's constant

414-18

密度行列:誘電分極(2)

( ) ( )* ˆ. . ,, bX a cp Z t c a ex bρ= − ℘ + ℘=

電気双極子モーメント(実数):X成分のみに注目

( ) ( ) ( )( )

* *

* *

ˆ ˆ2 ., , .

ˆ,

.

2 2X

bX

ab

a

X cc c cp Z t

p Z

p Z

t

t ρ σ σ

ρ σ− +

= + = − ℘ + = −℘ −℘

= − ℘ = − ℘

( ) ( )( ) ( )

1 2

1 2

ˆ ˆ

ˆ ˆ

0 1ˆ ˆˆ0 02

0 0ˆ ˆˆ1 02

ba

ab

Tr Tr a b b a b b

Tr Tr b a a b a a

i a b

i b a

σ ρσ ρ ρ ρ

σ ρσ ρ ρ ρ

σ σσ

σ σσ

+ +

− −

+

= = = =

= = = =

+= = =

= = =

関係式:パウリ行列

電気双極子モーメント:パウリ行列

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414-19

演算子行列要素:ハミルトニアン(1)

相互作用ハミルトニアン:参照414-13

( )int

0ˆ ˆ ,0ab

Xba

VH exE Z t

V

= =

行列要素

複素共役 注意:半古典論では振動電場Eは実数扱い!

( )intˆ ˆ ,XEx tH Ze=

( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )

cos

exp. .

2exp

. .2

,X Z t

i Z tc c

i Z tc c

E Z t E Z K

K

E Z

E Z

K

ν

ν

ν

= −

−= +

−= +

( ) ( )( ) ( )

00

0

0

0 exp

exp0

i iE E e e

Z

E

E Z E Z

E E Z

φ φ

φ

− −=

= −

= −Γ

=

Γ

=

簡単のため:初期位相は零

( )( )

int

* *int

*

ˆ ,ˆ ,

ab X

ba X

ba ab

V a H b E Z t

V b H a E Z t

V V

= =℘

= =℘

=

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414-20

演算子行列要素:ハミルトニアン(2)

相互作用ハミルトニアン:非対角要素のみ

( )( )

( )( ) ( ) ( ) ( )

intˆ ˆ

ˆ

expex

,

p2 2

,

ˆ

,Xa

X

b

X

E Z t

E Z t

E Z

V a H b a ex b

a ex b

i Z ti Z t

t

a ex b

E Z KE Z K νν

= =

=

=℘

− −− =℘ +℘

℘=

( ) ( )exp2ab

i ZE Z tKV

ν−℘

回転波近似(rotating wave approximation) 詳細説明:415

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414-21

ハミルトニアン

( )0 int 0ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ,XE Z tH H H H ex= + = +

行列要素

01 0 2ˆ00 12

2

abab

baba

VVH

V V

ωω

ω

= + = −

演算子行列要素:ハミルトニアン(3)

二準位系:two-level system

エネルギー差

ω

a

b

非対角要素

( ) ( )exp2ab

i ZE Z tKV

ν−℘

*ba abV V=

回転波近似(rotating wave approximation) 詳細説明:415

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414-22

密度行列の運動方程式(1)

運動方程式:密度行列 束縛電子(一個)の状態

ˆ,i Htρ ρ∂ = − ∂

aa ab

ba bb

ρ ρρ

ρ ρ

=

密度行列:エルミート行列

( )

*

1ab ba

aa bbTrρ ρ

ρ ρ ρ

=

= + =

密度行列要素:結果のみ(計算手順:次頁)

( )*

aaba ab ba ab

bbba ab ba ab

abab ab aa bb

ba ab

i V Vt

i V Vt

i Vt

ρ ρ ρ

ρ ρ ρ

ρ ωρ ρ ρ

ρ ρ

∂= −

∂∂

= −∂∂

= − −∂=

( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

*

0

2

exp

,

, , ,

,

abX

X X X

X

p Z t

P Z t p Z t E Z t

E Z

N

i Z tE Zt K

ρ

ε χ

ν

= − ℘

= =

= −

' ''iχ χ χ= +

これからやりたいこと:415 •連立一次微分方程式を解いて密度行列要素を求める。 •電気双極子モーメントと誘電分極を計算する。 •電気感受率を求めて古典論と半古典論を比較する。

電気感受率:虚数部の符号に注意(-νのため)

電気双極子モーメントpと誘電分極P

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414-23

密度行列の運動方程式(2)

密度行列要素:連立一次微分方程式の導出

ˆ ˆ

ˆ ˆ ˆ ˆ

ˆ ˆ

ˆ ˆ ˆ ˆ

ˆ ˆ

ˆ ˆ ˆ ˆ

2

aa

ab ba ab ba

bb

ba ab ba ab

ab

ab ab bb

i a H a a H at

a H a a a a H b b a a a a H a a b b H aV V

i b H b b H bt

b H a a b b H b b b b a a H b b b b H bV V

i a H b a H bt

a H a a b a H b b b a a a H b a b b H b

V

ρ ρ ρ

ρ ρ ρ ρ

ρ ρρ ρ ρ

ρ ρ ρ ρ

ρ ρρ ρ ρ

ρ ρ ρ ρ

ω ρ ρ ρ

∂= −

∂= + − −

= −∂

= −∂

= + − −

= −∂

= −∂

= + − −

= + −

( )2aa ab ab

ab ab bb aa

V

V

ωρ

ωρ ρ ρ

− −

= + −

ˆ ˆ ˆ, H H Hρ ρ ρ − = −