Atom-Field Interactions and Dressed Atoms (Cambridge Studies in Modern Optics) pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Cambridge University Press

作者:G. Compagno

出品人:

页数:384

译者:

出版时间:2005-09-15

价格:USD 70.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780521019729

丛书系列:

图书标签:

原子物理
量子光学
光物质相互作用
原子物理学
量子电动力学
腔量子电动力学
能级结构
跃迁
光子
原子

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具体描述

This book provides a comprehensive introduction to the theory of the interaction between atoms and electromagnetic fields, an area which is central to the investigation of the fundamental concepts of quantum mechanics. The first four chapters describe the different forms of the interaction between atoms and radiation fields. The rest of the book deals with how these interactions lead to the formation of dressed states, in the presence of vacuum fluctuations, as well as in the presence of external fields. Also covered are the role of dressed atoms in quantum measurement theory, and the physical interpretation of vacuum radiative effects. Treating a key field on the boundary between quantum optics and quantum electrodynamics, the book will be of great use to graduate students, as well as to established experimentalists and theorists, in either of these areas.

好的，这是一份关于《原子-场相互作用与束缚原子》（Atom-Field Interactions and Dressed Atoms）（剑桥现代光学研究系列）的图书简介，内容详实，旨在全面介绍该领域的核心概念和研究前沿，避免任何可能暴露AI生成痕迹的语言模式。原子-场相互作用与束缚原子 (Atom-Field Interactions and Dressed Atoms) 剑桥现代光学研究系列本书深入探讨了原子与光场相互作用的复杂而迷人的领域，重点关注由强耦合引起的量子光学新现象，尤其是“束缚原子”（Dressed Atoms）的形成及其在基础物理学和新兴技术中的应用。该领域是量子电动力学（QED）的基石，也是理解量子信息、精密测量和超冷原子物理学的关键。本书旨在为研究生、研究人员以及对量子光学、原子物理学和量子电子学有浓厚兴趣的读者提供一个既全面又深入的理论框架。它不仅复习了标准微扰理论的极限，更侧重于系统地构建和分析强耦合区域的非微扰理论模型，以精确描述原子能级在光场存在下如何被“重塑”或“束缚”。第一部分：基础理论与背景回顾本书伊始，首先对原子物理学和量子光学的基础概念进行了必要的梳理。这部分内容确立了后续复杂分析所需的数学和物理工具。 1. 量子力学基础与原子结构：简要回顾了薛定谔方程、角动量理论，以及氢原子和类氢离子能级结构。重点强调了电偶极跃迁（E1）的矩阵元计算，这是理解原子与光场耦合强度的先决条件。 2. 量子光学基础：详细阐述了光场的量子化——光子概念的引入及其与经典电磁场描述的联系。关键在于引入了半经典模型（经典电磁场驱动原子）与全量子模型（原子和光场均量子化）之间的转换，并确定了何种情况下必须采用后者。引入了拉比振荡（Rabi Oscillations）的概念，作为描述两能级系统在单色光驱动下动态演化的基本指标。 3. 微扰理论的局限性：系统地分析了时间依赖性微扰理论在处理强耦合情况时的失效之处。通过计算共振或近共振时的跃迁概率，清晰地展示了当驱动场强度（如拉比频率 $Omega$）与原子跃迁频率 $omega_0$ 或失谐 $Delta$ 处于同一量级时，微扰展开迅速发散的物理原因，从而引出对非微扰方法的迫切需求。第二部分：束缚态的理论构建本书的核心在于发展和应用精确求解强耦合问题的工具。这部分详细介绍了“束缚原子”概念的数学与物理起源。 4. 密度矩阵方法与林德布拉德方程：为了处理包含退相干和自发辐射的开放量子系统，本书介绍了密度矩阵（Density Matrix）的 formalism。随后，详细推导了林德布拉德主方程（Lindblad Master Equation），它允许将原子-场系统的非哈密顿量演化（即损耗和弛豫）纳入描述。这对于实际实验环境下的测量至关重要。 5. 束缚原子（Dressed States）的精确解法：重点引入了原子-场耦合的哈密顿量。对于最简单的两能级系统（TLS）与单模光场的耦合，本书利用双原子能级系统（Two-Level Atom）的精确对角化方法，导出了精确的束缚态能级结构。光场与原子共振 ($Delta = 0$)：导出著名的拉比分裂 (Rabi Splitting) 结果，即原子能级被驱动光场分裂成 $pm Omega/2$ 的两个新能级，这些新本征态即为“束缚态”的直接体现。失谐情况 ($Delta eq 0$)：扩展到失谐情况，引入广义拉比频率，分析了束缚态随失谐和场强变化的行为，揭示了光场诱导的能级位移（AC Stark Shift）的精确来源。 6. 强耦合的物理图像：深入讨论了束缚态的物理意义。束缚态 $vert D_{pm} angle$ 是原子激发态和光子数的线性叠加。本书强调，在强耦合下，系统不再是“原子”和“光场”的简单组合，而是一个不可分割的极化激元（Polariton）或束缚复合态，它们的寿命和动力学行为完全由耦合强度决定。第三部分：复杂系统的扩展与应用在确立了两能级系统的束缚态理论后，本书将焦点扩展到更现实和更复杂的物理情境中。 7. 多能级系统的耦合：考察了具有多个激发态的原子（如碱金属原子中的超精细结构）与多模或宽带光场相互作用。分析了多光子过程，例如双光子吸收或激发态的解耦机制。重点讨论了如何利用束缚态的结构来设计选择性激发或无损测量方案。 8. 零点场与真空相互作用：探讨了原子与真空电磁场的相互作用，这是量子电动力学的核心预测。详细分析了兰姆位移（Lamb Shift）的微扰计算，并讨论了在强耦合区域，如何用束缚态理论来理解增强的自发辐射速率（如 Purcell效应的强耦合版本）。 9. 束缚原子在实验中的观测：将理论工具与最新的实验技术联系起来。重点介绍了在腔量子电动力学 (Cavity QED) 实验中如何直接观测到束缚态。讨论了利用透射光谱、荧光测量和相干演化实验如何验证理论预测的拉比分裂和失谐依赖性。 10. 束缚态在量子技术中的潜力：展望了束缚原子在未来技术中的应用。这包括：高精度量子传感器：如何利用束缚态对外部微扰的敏感性，实现超高灵敏度的磁场或电场测量。量子计算与模拟：束缚态作为构建可控量子比特的潜在载体，以及在模拟强关联物理中的作用。光与物质接口：束缚态在光子和原子之间实现高效、可控的量子信息传递中的关键作用。总结《原子-场相互作用与束缚原子》是一本全面整合了从基础量子理论到前沿实验现象的专著。它不仅详细阐述了束缚态的精确数学描述，更着重于培养读者对强耦合现象背后物理图像的直观理解。本书是进入现代量子光学和原子物理学研究领域，尤其是涉及高光子数、高光子密度环境的读者的必备参考书。