We investigate a novel quantum effect that an atom coupled to a monochromatic radiation field may exhibit. The quantum effect has to do with the damping rate of the amplitude of the Rabi oscillation when the atom is subjected to spontaneous decay. As is well known, the amplitude of the Rabi oscillation decreases progressively at each successive revival, even in the absence of spontaneous decay and any other dissipation, because a smaller and smaller number of dephased oscillations rephase at each successive revival time. Spontaneous decay works to further decrease the oscillation amplitude over the already existing decrease in its absence. We are concerned with this additional damping due to spontaneous emission. We show that the semi-classical theory tends to overestimate this damping rate, and thus a correct quantitative description of the damped Rabi oscillation is obtained only with a full quantum mechanical treatment.
본 학위 논문에서는 원자가 단일 모드 복사장과 상호작용할 때 Rabi 진동의 진폭이 자가방출 때문에 감쇄되는 현상을 원자의 밀도 손실과 관련하여 연구한 내용이 다뤄져있다. 단일 모드 복사장을 고전적으로 다루는 준고전적 접근에서는 진폭 감쇄율이 원자의 밀도손실이 클수록 작게 나타났다. 양자화된 단일 모드 복사장을 다루는 양자적 접근에서는 진폭 감쇄율이 밀도 손실의 영향을 받지 않았다. 특히, 원자의 밀도 손실이 없는 경우에는 라비 진동의 진폭 감쇄율이 복사장의 양자화 여부에 따라 극명하게 차이가 났는데, 이는 준고전적 접근에서는 원자의 전이 구조가 지나치게 간단화 되어있기 때문이다. 즉, 준고전 이론에서는 들뜬 상태의 원자가 바닥상태로 자가방출하면서 일종의 내부 펌핑 효과를 내기 때문에 원자의 밀도 손실의 정도에 따라 내부 펌핑의 정도가 차이가 나므로 진폭감쇄율이 원자의 밀도 손실에 영향을 받지만, 양자 이론에서는 각 광자개수에 따른 모든 전이가 자가방출에 의한 내부펌핑효과를 포함하지 않기 때문에 원자의 밀도 손실에 무관한 진폭감쇄율을 가진다. 이러한 효과는 삼준위 원자가 두 단일모두 복사장과 상호작용할때도 나타남을 보였다. 하지만 준고전 접근에서 원자 밀도가 보존됨에도 불구하고 들뜬 상태 원자의 점유 밀도를 보면 마치 이준위 원자에서 밀도 손실이 있는 경우와 같은 특이한 현상이 나타나는 차이점을 보였는데, 이것은 삼준위 원자 시스템 내에 어둠상태가 존재하기 때문이다. 즉, 들뜬 상태로 유도 전이가 되지 않는 새로운 바닥상태, 어둠상태로 자가방출에 의한 광펌핑이 이루어지면서 삼준위 원자 전이구조가 밀도손실이 있는 이준위 원자와 같은 전이구조를 가지기 때문이다. 또한, 삼준위 원자가 양자화된 두 복사장과 상호작용하는 양자적 접근에서는 원자의 전이구조를 보면 이준위 원자의 경우와 마찬가지로 각 광자개수의 전이가 열린상태이기 때문에 진폭감쇄율이 밀도손실에 무관할 것이라고 기대한다. 이준위 원자 시스템에서 삼준위 원자 시스템으로의 확장은 다양한 실험적 접근이 가능하다는 점에서 의미가 있다고 하겠다.
