与自由量子场强耦合原子的基态激发

本文对原子-场系统中由强耦合引起的效应进行了非微扰处理，这些效应在传统微扰处理中因采用 Born-Markov、旋转波或费米黄金规则等妥协性假设而无法显现。我们考虑一个原子，其内部自由度由谐振子建模，并与代表电磁场两种偏振之一的一维标量量子场双线性耦合。由于整个系统是 Gaussian 的，我们可以精确求解该问题。利用开放量子系统概念框架与影响泛函形式体系，我们推导了原子约化密度矩阵的动力学，从而能够计算原子跃迁概率及其他相关物理量。求得该问题的精确解具有明显优势，使人得以完整捕捉强耦合 regime 并发现诸如自发基态激发等有趣效应，而这在微扰处理中是不可思议的。传统的原子-光学活动描述建立在总原子-场系统态为原子激发与光子数态直积态的假设之上，该假设仅在极弱耦合下成立。所应采用的正确能量本征函数应为原子-场组合系统哈密顿量的本征函数。与有限至强耦合效应相关的其他特征，如共振峰展宽以及从带隙谱到无隙谱的转变，均可由此视角理解。最后，为恰当定位问题，我们取精确结果的微扰极限并与传统含时微扰理论（TDPT）比较，从而能在解除极弱耦合假设时 pinpoint TDPT 的缺陷所在。