原子電子遷移

原子物理学および化学において、原子電子遷移（原子遷移、量子ジャンプ、量子飛躍とも呼ばれる）とは、原子^[1]または人工原子^[2]内のあるエネルギーレベルから別のエネルギーレベルに電子が変化することを指す。量子ジャンプの時間スケールは実験的に測定されていない。しかし、フランク・コンドン原理により、このパラメータの上限はアト秒のオーダーに制限されている。^[3]

より小さなnのエネルギーレベルにジャンプする電子は、光子の形で電磁放射を放出します。電子は通過する光子を吸収することもでき、これによりより高いnのレベルへの量子ジャンプが促進されます。電子の初期状態と最終状態の間のエネルギー差が大きいほど、光子の波長は短くなります。^[4]

デンマークの物理学者ニールス・ボーアは1913年に初めて電子が量子ジャンプを行えるという理論を立てました。 ^[5]その後すぐに、ジェームズ・フランクとグスタフ・ルートヴィヒ・ヘルツは 原子が量子化されたエネルギー状態を持つことを実験的に証明しました。 ^[6]

量子ジャンプの観測可能性は1975年にハンス・デメルトによって予測され、 1986年にハンブルク大学でバリウムのトラップされたイオンとNISTで水銀のトラップされたイオンを使用して初めて観測されました。 ^[4]

原子は振動する電場と相互作用します。

ここで、振幅は、角周波数は、偏光ベクトルはです。^[7]実際の位相は であることに注意してください。しかし、多くの場合、 の変化は原子上で小さいため（または同等に、放射の波長は原子のサイズよりもはるかに大きいため）、この項は無視できます。これは双極子近似と呼ばれます。原子は放射によって生成された振動磁場と相互作用することもできますが、はるかに弱いです。 ${\displaystyle |{\textbf {E}}_{0}|}$${\displaystyle \omega}$${\displaystyle {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }}$${\displaystyle (\omega t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})}$${\displaystyle {\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}}$

この相互作用のハミルトニアンは、電場における古典的な双極子のエネルギーに似ており、 です。誘導遷移率は、時間依存摂動法を使用して計算できますが、結果はフェルミの黄金律を使用して要約できます。 双極子行列要素は、動径積分と角度積分の積に分解できます。原子遷移の選択規則が満たされ ない限り、角度積分はゼロです。 ${\displaystyle H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)}$$${\displaystyle Rate\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }|1\rangle |^{2}}$$

2019年には、 15mKの読み出し共振器空洞内に配置された2つの強く混成したトランスモン量子ビットからなる超伝導人工原子を用いた実験で、いくつかのジャンプの進化は連続的、コヒーレント、決定論的、可逆的であることが実証されました。^[8]一方、他の量子ジャンプは本質的に予測不可能です。^[9]

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• シュレーディンガー、エルヴィン(1952 年 8 月)。「量子ジャンプは存在するか? パート I」(PDF)。英国科学哲学ジャーナル。3 ( 10): 109– 123。doi :10.1093/ bjps /iii.10.109。 パート2
• 「量子ジャンプも粒子も存在しない！」HD Zeh著、Physics Letters A172、189（1993年）。
• ボール、フィリップ（2019年6月5日）。「長い間瞬時に起こると思われていた量子飛躍には時間がかかる」Quanta Magazine 。 2019年6月6日閲覧。
• 「イプシロンゼロ近傍遷移層を持つ金属-誘電体界面における表面プラズモン」Kevin Roccapriore他、Physical Review B 103、L161404（2021）。