光机械哈密顿量的对角化

光机械哈密顿量

其中$\omega_c$为腔模的频率,$\omega_m$为声子频率,$g_{om}$为耦合系数。$a^{\dagger},a,b^{\dagger},b$分别为光子、声子的产生湮灭算符,满足对易关系$[a,a^{\dagger}]=[b,b^{\dagger}]=1$。

现求该哈密顿量下的本征值$E_n$与本征态$\ket{\psi_n}$。假设$n,k$分别为光子数与声子数,本征态分别为$\ket{n},\ket{k}$,满足

其态空间为各自子空间的张量积,选用$\ket{n,\psi}=\ket{n}\otimes\ket{\psi}$作为表象。在该表象下,哈密顿量满足,

从上式中可发现,对于给定的光子数,跃迁只发生在声子态所在的子空间,故可单独研究声子态子空间,设

显然,$H_n$满足

此外,$H_n$还有如下形式,

其中,$B_n=b-\frac{ng_{om}}{\omega_m}$,可发现其同样满足玻色子对应关系$[B_n,B_n^{\dagger}]=[b,b^{\dagger}]=1$。引入的新算符在其本征态构成表象下满足

根据$B_n$与$b$满足位移关系$B_n=b+\beta$,其中,$\beta=-\frac{ng_{om}}{\omega_m}$,得到关系,

故$\ket{\mu}$为湮灭算符$b$的本征态。将$\ket{\mu}$在表象$\ket{n_k}$下展开,即$\ket{0_\mu}=\sum_n c_{n,k}\ket{n_k}$。

一方面,

另一方面,

迭代求解可得,

根据归一化条件$1=\sum_n|c_{n,k}|^2$,

故,

综上,

令$\mathcal{D}^{\dagger}(\beta)=e^{-\beta(b^{\dagger}-b)}$,可得到重要关系,

对等式两边同时作用产生算符$\frac{(B_n^{\dagger})^n}{\sqrt{n!}}$,即

此外,

综上所述,

哈密顿量可改写为以下形式

当$g_{om}\ll\omega_m$时,$-\frac{g_{om}^2}{\omega_m}a^{\dagger}a^{\dagger}aa$可忽略,由此得到线性化的哈密顿量