From Quantum Optics to Energy and Momentum Transport in Macroscopic Structures

Tutkimustuotos

Tutkijat

Organisaatiot

Kuvaus

Eräs kiehtovimmista valon kvantti-ilmiöistä on aalto–hiukkasdualismi, joka liittyy klassisten aalto- ja hiukkaskäsitysten kykenemättömyyteen kuvata täydellisesti kvanttiobjektien käyttäytymistä. Teoreettisesti sähkömagneettisen kentän aalto-ominaisuudet, kuten interferenssi, seuraavat Maxwellin yhtälöiden ratkaisusta kun taas hiukkasominaisuudet ovat seuraus kentän kvanttiteoriasta, jossa sähkömagneettinen kenttä kuvataan muodostuvaksi erillisistä energiapaketeista, fotoneista. Aalto–hiukkasdualismista johtuen esimerkiksi etenevien kenttien optisen absorption, emission ja interferenssin samanaikaista kuvausta ei ole tavanomaisesti pidetty lokaaleja optisia malleja käyttäen mahdollisena vaan kuvaus on vaatinut Maxwellin yhtälöiden käyttöä stokastisten lähdetermien kanssa, jotta aalto–hiukkasdualismi tulee huomioitua. Myös valon liikemäärän kuvaaminen väliaineessa on ollut ongelmallista. Väitöskirjassa kuvatussa tutkimuksessa johdetaan kvanttifluktuaatioelektrodynamiikan (QFED) malli, joka perustuu sähkömagneettisten Greenin funktioiden ja kentän kvanttiteorian yhdistämiseen, jotta voidaan kuvata fotonien lukumäärän ja paikallisen termisen tasapainon paikkariippuvuutta yleisissä epätasapainotilanteissa ja erottaa sähkömagneettinen kenttä eri suuntiin eteneviin osiin resonanssirakenteissa, mikä on tavanomaisesti ollut ongelmallista interferenssi-ilmiöistä johtuen. QFED-menetelmän näytetään hävittävän aiemmin löydetyt anomaliat fotonien tikapuuoperaattoreiden kommutaatiorelaatioissa. QFED-menetelmää käytetään myös kvanttioptisten kentän ja aineen vuorovaikutusparametrien johtamiseen. Nämä parametrit ottavat täysin huomioon fotonien interferenssin, emission, vaimenemisen ja sironnan kerroksellisissa rakenteissa johtaen interferenssin suhteen eksaktiin säteilyn siirtoyhtälöön (RTE). Näin ollen johdetut vuorovaikutusparametrit ratkaisevat interferenssin ja häviöiden samanaikaisen kuvaamisen ongelmat laajasti käytetyssä RTE-mallin viitekehyksessä. Valon hiukkasominaisuuksia tutkitaan myös soveltamalla suoraan luonnon säilymislakeja ja erityistä suhteellisuusteoriaa sen näyttämiseen, että väliaineessa etenevä valo täytyy kuvata massapolaritonikvasihiukkasina (MP), kovariantteina kentän ja aineen kytkettyinä tiloina. Näillä kvasi-hiukkasilla näytetään olevan Minkowskin muotoa oleva liikemäärä ja nollasta poikkeava massa, jota kuljettaa valoon aineessa liittyvä massatiheysaalto. MP-kvasihiukkasiin liittyvä kentän ja aineen vuorovaikutus myös johtaa fotonin energian menetykseen. Nämä hiukkasmallin tulokset johdetaan myös käyttäen aaltoperustaista optoelastista jatkumodynamiikan (OCD) mallia, joka seuraa jatkuvan aineen sähködynamiikasta ja mekaniikasta. Saadut tulokset vahvistavat aalto- ja hiukkasmallien täyden yhtäpitävyyden niitä oikein käytettäessä. Päätulos, jonka mukaan väliaineessa etenevään valopulssiin liittyy väistämättä kokeellisesti mitattavissa oleva massa, merkitsee perustavanlaatuista muutosta valoon liittyvissä vallitsevissa käsityksissä.

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-7642-3
Sähköinen ISBN978-952-60-7641-6
TilaJulkaistu - 2017
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • kvanttioptiikka, optinen energian siirto, valon liikemäärä, fotonit

ID: 17675007