內容簡介
The subtitle, Nonclassical Fields, is perhaps not as accurate as it might be as a summary of content; or to put it another way, if my aim from the start had been to write a book on this topic, parts of that book would differ significantly from what follows here. Possibly the most important thing missing, and something that should be said, is that there are two quite distinct paths to a definition of nonclassicality in quantum optics. The first is grounded in the existence, or otherwise, of a nonsingular and positrve Glauber-Sudarshan P function. The physical grounding is in the treatment of optical measurements, specifically the photoelectric effect: for a given optical field, can the photoelectron counting statistics, including all correlations, be reproduced by a Poisson process of photoelectron generation driven by a classicallight intensity, allowed most generally to be stochastic? Viewed at a more informallevel, the question asks whether or not the infamous proposal of Bohr, Kramers, and Slater for the interaction of classical light and quantized atoms can be upheld in the presence of the observable photoelectron counting statistics.
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目錄
9 The Degenerate Parametric Oscillator Ⅰ: Squeezed States
9.1 Introduction
9.2 Degenerate Parametric Amplification and Squeezed States
9.2.1 Degenerate Parametric Amplification Without Pump Depletion
9.2.2 Quantum Fluctuations and Squeezed States
9.2.3The Degenerate Parametric Oscjllator
9.2.4 Master Equation for the Degenerate Parametric Oscillator
9.2.5 Cavity Output Fields
9.3 The Spectrum of Squeezing
9.3.1Intracavity Field Fluctuations
9.3.2 Defirution of the Spectrum of Squeezing
9.3.3 Homodyne Detection: The Source-Field Spectrum of Squeezing
9.3.4 The Source-Field Spectrum of Squeezing with Unit Efficiency
9.3.5 Free-Field Coritributions
9.3.6 Vacuum Fluctuations
9.3.7 Squeezing in the Wigner Representation: A Comment on Interpretation
10 The Degenerate Parametric Oscillator Ⅱ: Phase-Space Analysis in the Small-Noise Limit
10.1 Phase-Space Formalism for the Degenerate Parametric Oscillator
10.1.1 Phase-Space Equation of Motion in the P Representation
10.1.2 Phase-Space Equations of Motion in the Q and Wigner R,epresentations
10.2 Squeezing: Quantum Fluctuations in the Small-Noise Limit
……
11 The Positive P Representation
12 The Degenerate Parametric Oscillator Ⅲ: Phase-Space Analysis Outside the Small-Noise Limit .
13 Cavity QED I: Simple Calculations
14 Many Atoms in a Cavity Ⅰ: Macroscopic Theory
15 Many Atoms in a Cavity Ⅱ: Quantum Fluctuations in the Small-Noise Limit
16 Cavity QED II: Quantum Fluctuations
17 Quantum Trajectories Ⅰ: Background and Interpretation
18 Quantum Tajectories Ⅱ: The Degenerate Parametric Oscillator
19 Quantum Trajectories Ⅲ: More Examples
References
Index
前言/序言
《隨機過程在凝聚態物理中的應用》 內容簡介 本書係統而深入地探討瞭隨機過程在現代凝聚態物理研究中的廣泛應用,旨在為物理學、材料科學及相關工程領域的研究人員、高級本科生和研究生提供一個全麵且實用的工具箱。全書結構嚴謹,從基礎的概率論和隨機過程理論齣發,逐步過渡到凝聚態物理中的前沿問題,內容涵蓋瞭從弛豫動力學到相變、從噪聲分析到輸運現象的諸多核心議題。 第一部分:隨機過程基礎與數學工具 本書的開篇奠定瞭堅實的數學和概念基礎。首先,詳細迴顧瞭概率論的基本公理、隨機變量的性質、矩分析以及各種重要的概率分布(如高斯分布、泊鬆分布、指數分布)。接著,重點引入瞭隨機過程的核心概念,包括馬爾可夫過程、維納過程(布朗運動)及其在連續時間與離散時間框架下的定義。 深入探討瞭福剋-普朗剋方程(Fokker-Planck Equation, FPE)和朗之萬方程(Langevin Equation),這是描述係統中隨機漲落動力學的兩大核心工具。詳細分析瞭如何利用這些方程來處理帶有噪聲的哈密頓量,以及如何通過等價性將隨機微分方程轉化為偏微分方程。此外,還包括瞭對鞅理論(Martingale Theory)和遍曆性(Ergodicity)的討論,這些是理解係統長時間平均行為和收斂性的關鍵。 第二部分:噪聲與漲落現象 本部分將理論工具應用於凝聚態係統中的實際噪聲來源與效應。詳細分析瞭約翰遜-奈奎斯特噪聲(Johnson-Nyquist Noise)的起源,並將其與熱力學漲落聯係起來,利用漲落-耗散定理(Fluctuation-Dissipation Theorem, FDT)闡述瞭係統在平衡態下耗散與漲落之間的內在聯係。 特彆關注瞭1/f噪聲(粉紅噪聲),探討瞭其在半導體界麵、金屬薄膜電阻中的普遍存在性,並介紹瞭描述其功率譜密度的各種模型,例如隨機電荷跳躍模型和缺陷激活模型。 在電子係統中,本書詳述瞭散粒噪聲(Shot Noise),這對於理解量子電導至關重要。通過對電子流的離散性建模,推導瞭散粒噪聲的強度,並將其與標準量子霍爾效應和隧穿結中的電荷輸運聯係起來。 第三部分:時間演化與弛豫動力學 本章的核心在於理解凝聚態係統如何從非平衡態弛豫到平衡態。使用主方程(Master Equation)來描述粒子的占有態演化,詳細推導瞭查普曼-科爾莫戈羅夫方程(Chapman-Kolmogorov Equation)。 重點研究瞭弛豫時間尺度。在磁性係統中,應用隨機過程分析瞭布洛赫方程(Bloch Equations)的漲落項,並計算瞭自鏇係統的弛豫率。在介電材料中,利用FPE模型研究瞭德拜弛豫(Debye Relaxation)和科爾-科爾弛豫(Cole-Cole Relaxation),解釋瞭復介電常數隨頻率的依賴性。 對於復雜的多態係統,引入瞭平均場理論與隨機性的結閤,例如在伊辛模型(Ising Model)的動力學演化中,隨機翻轉(Metropolis-Hastings算法的物理背景)如何導緻係統跨越勢壘。 第四部分:擴散、輸運與界麵現象 本部分將隨機行走的概念推廣到宏觀輸運現象。首先,對布朗運動在晶格中的離散化模型進行瞭深入分析,並推導瞭Fick擴散定律的隨機過程基礎。 在多孔介質和無序材料中,本書分析瞭非典型擴散(Anomalous Diffusion),如Lévy飛行和分數布朗運動,解釋瞭這些過程如何導緻與經典擴散定律不符的輸運特性。 在電荷輸運方麵,詳細討論瞭跳躍導電機製(Hopping Conduction),特彆是濛特卡洛模擬(Monte Carlo Simulation)在計算跳躍導電率中的應用。分析瞭格林-久保公式(Kubo Formula)的隨機過程解釋,以及如何利用時間關聯函數來計算電導率和熱導率。 第五部分:相變與臨界現象的隨機動力學 本書的最後一部分聚焦於隨機過程在係統復雜性增強時的威力,尤其是在臨界點附近。討論瞭動力學重整化群(Dynamical Renormalization Group, DRG)的概念,如何將隨機噪聲納入到臨界指數的計算中。 分析瞭相場模型(Phase Field Models)的隨機版本,例如在驅動界麵生長或材料分離過程中,背景噪聲如何影響界麵的形貌和動力學。引入瞭非平衡態熱力學的觀點,使用隨機遍曆性來理解相變過程中的能量耗散和不可逆性。 總結 本書內容豐富,不僅提供瞭強大的數學工具,更展示瞭這些工具在解決凝聚態物理中實際難題時的強大能力。通過對噪聲、漲落和時間演化的深刻剖析,讀者將能建立起對復雜係統中隨機性的直觀理解,並能獨立運用隨機過程的方法來分析和模擬新的物理係統。全書配有大量的實例推導和附錄,確保讀者能夠係統掌握所需的技術。