Superradiance and Dipole Ordering of an N Two-Level System Interacting with Optical Near Fields
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概要
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A model is presented for a system of N two-level excitons interacting with each other via optical near fields represented as localized photons. In a low exciton density limit, quantum dynamics of the dipole moments or quantum coherence between any two energy levels is linear. As the exciton density becomes higher, the dynamics becomes nonlinear, and the system has several kinds of quasi-steady states of the dipole distribution depending on the system parameters. These quasi-steady states are classified with the help of the effective Hamiltonian that is derived from the renormalization of degrees of freedom of localized photons with a unitary transformation. Among them there exist a "ferromagnetic" state (dipole-ordered state), in which all electric dipoles are aligned in the same direction, and an "anti-ferromagnetic" state, where all dipoles alternatingly change the direction. In addition, we show that an arbitrary state can be transformed into a dipole-ordered state by manipulating initial values of the population differences appropriately. For example, if we initially prepare a dipole-forbidden state, which is similar to the "anti-ferromagnetic" state and cannot be coupled with propagating far fields, and if we manipulate the distribution of the population differences properly, the initial state evolves into a dipole-ordered state. The radiation property of such dipole-ordered states is examined in detail. Neglecting energy dissipation by radiation, we find that some of the ordered states show strong radiation equivalent to Dicke's superradiance. Then by introducing a radiation reservoir, the dissipative master equation is derived. Solving the equation with and without quantum correlations, we numerically show that multiple peaks in the radiation profile can survive in both cases. The mechanism of this phenomenon is discussed, and a brief comment on an application to photonic devices on a nanometer scale is given.
- 社団法人日本物理学会の論文
- 2003-11-15
著者
-
北原 和夫
国際基督教大学理学科
-
小路口 暁
日本電気株式会社システム実装研究所
-
Ohtsu Motoichi
Department Of Electrical Engineering And Information Systems The University Of Tokyo
-
OHTSU Motoichi
Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology
-
Kobayashi K
Department Of Electrical Engineering And Information Systems The University Of Tokyo
-
SANGU Suguru
Ricoh Co., Ltd.
-
SHOJIGUCHI Akira
ERATO Localized Photon Project, Japan Science and Technology
-
KOBAYASHI Kiyoshi
ERATO Localized Photon Project, Japan Science and Technology
-
SANGU Suguru
ERATO Localized Photon Project, Japan Science and Technology
-
KITAHARA Kazuo
Division of Natural Sciences, International Christian University
-
Sangu Suguru
Ricoh Co. Ltd.
-
Ohtsu M
Department Of Electrical Engineering And Information Systems School Of Engineering The University Of
-
Ohtsu Motoichi
Interdisciplinary Graduate School Of Science And Engineering Tokyo Institute Of Technology
-
OHTSU Motoichi
The University of Tokyo
-
Kobayashi K
Tokyo Institute Of Technology
-
小路口 暁
NECシステム実装研究所
-
Kobayashi Kiyoshi
Department Of Electrical Engineering And Information Systems The University Of Tokyo
-
Ohtsu Motoichi
Department of Electrical Engineering and Information Systems, The University of Tokyo
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