<講義ノート>強は異なり : 電磁場と物質の超強結合による超放射相転移に向けて

Abstract

「多は異なり(More is Different)」という言葉があるように, 個々の粒子の性質だけでなく, 粒子や自由度が多数(More)あることによって初めて現れる多彩な(Different)現象が物性物理学, 特に凝縮系物質の研究で探求される. 一方, 光科学の研究では, 物質の自由度の多さよりも, 物質に照射する電磁波の強度, 波長, スペクトル幅, 量子ゆらぎなどの制御により, 多彩なダイナミクスの観測・発現・制御が探求される. 近年, この光科学から発展し, 電磁場と物質の相互作用を「超強結合」と呼ばれる領域まで強くすることによって, 多彩な現象を発現しようとする研究が進んでいる. ここでは特に, 熱平衡下において電磁場と電磁気分極が自発的に静的で有限の期待値を獲得する「超放射相転移」と呼ばれる現象を中心に解説する. 本テキストで示すのは「古典論を再現できない量子論で遊ぶのはやめましょう」という, 超放射相転移の研究で見られる歴史的な教訓である. 具体的には, 電磁波と物質のダイナミクスが古典論的また量子論的に, これまでどのように記述されてきたのかを, Lorentz力を感じる荷電粒子のNewton運動方程式とMaxwell方程式から出発して説明する. その後, 量子光学における標準的なモデルでは超放射相転移が起こるという結果が導かれるものの, 古典論の結果をきちんと再現するHamiltonianを真面目に導けば, 超放射相転移が起こらないという結果が得られたという歴史を紹介する. 超伝導回路や磁性体などによって超放射相転移を実現しようとする最近の試みについては, 第5節で紹介する文献を参照のこと.