Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Новотный и Хехт, Основы нанооптики

.pdf
Скачиваний:
539
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
22.3 Mб
Скачать

Глава 14

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ФЛУКТУАЦИЯМИ

Тепловое движение и нулевые колебания электрически заряженных частиц в ве­ ществе порождают флуктуирующее электромагнитное поле. Квантовая теория утвер­ ждает, что флуктуирующие частицы обладают лишь дискретными уровнями энергии, и, следовательно, испущенное ими флуктуационное излучение имеет спектр абсо­

лютно черного тела. Однако поскольку соответствующая формула для излучения

черного тела справедлива, строго говоря, если тело находится в состоянии термоди­

намического равновесия, к неравновесным состояниям ее можно при менять только

как некоторое приближение к истине. Это приближение корректно на больших

расстояниях от излучающего вещества (дальнее поле), но существенно отличается

от истинного положения дел вблизи поверхности вещества (ближнее поле).

Поскольку флуктуации заряда и тока в веществе приводят к потерям на излуче­ ние, ни один объект в свободном пространстве при конечной температуре не может

находиться в термодинамическом равновесии. Равновесие с полем излучения может быть достигнуто лишь удержанием излучения в ограниченном пространстве. Однако

в большинстве случаев состояние объекта можно считать близким к термодинами­ ческому равновесию, а отклонения от такового можно описывать моделью линейного

отклика. В этом случае имеет место важнейшая флуктуацuонно-дuссunацuонная

теорема, которая связывает скорость диссипации энергии в неравновесной системе

с флуктуациями, возникающими спонтанно в различные моменты времени в равно­

весных системах.

Флуктуационно-диссипационная теорема важна для понимания поведения флук­ туирующих полей в окрестности нанометровых объектов и оптических взаимодей­

ствий на нанометровых расстояниях (например, сил Ван-дер-Ваальса). Цель настоя­

щей главы состоит в том, чтобы провести детальный анализ нескольких важных эффектов флуктуационной электродинамики.

14.1. Флуктуационно-диссипационная теорема

Флуктуационно-диссипационную теорему обычно получают из золотого правила

Ферми, рассчитывая квантовые корреляционные функции. Истоки теоремы лежат в соотношении Найквиста, описывающем флуктуации напряжения на сопротив­

лении. Однако в общей форме ее получили Коллен и Велтон [1]. Приведенное

здесь рассмотрение является чисто классическим, и лишь в конце выкладок в них

вводится постоянная Планка. Хотя флуктуационно-диссипационную теорему можно вывести, используя обобщенные переменные, нагляднее будет провести рассуждения

для конкретной физической задачи. Рассмотрим наноразмерную систему, харак­

терный пространственный масштаб которой много меньше длины световой волны

(см. рис. 14.1), что позволяет описывать взаимодействие с системой в электриче­

ском дипольном приближении. Теория может быть легко расширена, если учесть

мультипольные слагаемые более высоких порядков. Пусть наноразмерная система

состоит из конечного числа заряженных частиц с N степенями свободы. В состоянии

404

Гл. /4 Взаимодействия, обусловленные флуктуациями

 

E(r, t)

 

 

 

 

 

 

 

 

-t--

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• •

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 14 1

Взаимодействие оптического

излучения

с

системой частиц, находившихся из­

начально

в термодинамическом равновесии. Состояние системы определяется координатой

8 = [C/I . . .C/N, PI . •PN] В фазовом пространстве,

где qj

и Pj -

обобщенные координаты и со­

пряженные им импульсы з-й частицы соответственно. Если характерный масштаб длины d системы мал по сравнению с длиной волны Л, энергия взаимодействия между оптическим

излучением

и системой описывается в электродипольном приближении' БН = -11(S, t) . E(t),

 

где 11 - электрический дипольный момент

 

термодинамического равновесия

вероятность нахождения дипольного

момента J1

в состоянии .Ч = [ql ... qN; РI ... PN]

дается функцией распределения

 

 

leq(s) = 10e-Но(s)/kТ,

(14.1)

где 10 -

нормировочная постоянная, гарантирующая, что Jleq(s)ds =

1, Но -

равновесный гамильтониан системы, k - постоянная Больцмана, а Т -

темпера­

тура. Через Чl и Рз обозначены обобщенные координаты и обобщенные импульсы соответственно; .'i - точка в фазовом пространстве координат и импульсов системы. Термодинамическое равновесие усредненного по времени ансамбля J1 дается равен-

ством

Jfeq(s)j1(s, t)ds

 

 

 

 

 

(J1(s, t)) =

J

= (J1),

(14.2)

feq(s)ds

где интегрирование проводится по всем координатам [ql ... qN; РI .. .pN]. Благодаря

тепловому равновесию усредненный ансамбль не зависит от времени.

14.1.1. Функция отклика системы. Рассмотрим внешнее поле E(r, t), которое

возмущает равновесие системы. Полагая, что характерный размер системы d много меньше длины волны Л, можем записать гамильтониан возмущенной системы в ди­

польном приближении:

н = Но + = Но - J1(S, t) . E(t) = Но - 2: JLk(S, t)EA·(t), k = х, у, Z. (14.3)

k

Благодаря внешнему возмущению E(t) ожидаемое значение J1 будет отличаться от

своего равновесного значения (J1). Обозначим математическое ожидание J1 в возму­

щенном состоянии через 11. Предположим, что отклонение

дl1(t) = l1(t) - (J1)

(14.4)

мало и что от внешнего возмущения оно зависит линейно:

 

t

 

дР;1(t)=2~~ JOjk(t-t')Еk(t')dt', ),k=x,y,z,

( 14.5)

- 00

14.1. Флуктуацuонно-дuссunацuонная теорема

405

где ajk функция отклика системы. При

этом мы предполагаем, что система стацио­

нарна (ajk(t, t') = ajk(t - t') и удовлетво-

ряет принципу причинности (ajk(t - t') = О, если t' > t). Равенство (14.5) устанавлива­

ет, что отклик в момент времени t зависит не только от возмущения в момент t, но

также и от возмущений в предшествующие

моменты времени. «Память. системы заклю- чена в ajk, и наша цель - определить ajk

как функцию статистических равновесных

свойств системы. При этом удобно рассмот-

реть возмущение, показанное на рис. 14.2,

E~

Рис. 142 Зависимость возмущения от времени. Возмущение обеспечивает пол-

ную релаксацию системы на временах

t = О (непосредственно перед ступенькой)

иt-+оо

которое переводит систему из состояния полной релаксации (т. е равновесного) в другие состояния [2]. Время релаксации можно наглядно связать с памятью

отклика системы. Расчет возмущения, показанного на рис. 14.2, согласно равен­

ству (14.5) дает

дJiJ(t) =:;

о

:х;

 

JaJk(t - t')dt' =

~; Ja/k(T)(lT,

(14.6)

 

 

 

 

t

 

откуда следует решение для ajk:

 

 

ajl,(t) = -~8(t);t871J(t).

(14.7)

Здесь мы предположили, что функция отклика ajk и ее производная по времени

стремятся к нулю при t ---+ 00.

Кроме того, здесь введена функция

Хевисайда 6(t)

«<ступенька.), чтобы обеспечить причинность (ajk(t-

 

 

 

 

 

 

 

-

t') = о при t'

> t).

1) Из равенства (14.7) можно найти

 

 

8(t)

 

 

 

ajk, если рассчитать производную по времени от дJiJ'

 

 

 

 

 

---

 

Математическое

ожидание

J1 в момент време­

 

 

 

 

 

ни

t

определяется

функцией

распределения

f(s)

 

 

 

-

-

в

начальный

момент времени согласно равенству

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

==:--

(см.

рис. 14.3)

 

JJ(s)jJ.(S, t)ds

 

 

 

 

- -

......

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ji(t) = "---;,------

(14.8)

 

 

о

 

 

 

to

 

 

 

 

 

JJ(s)ds

 

Рис

143

Диаграмма движе­

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку в момент времени t

= О имело место тер­

ния

в

фазовом

пространстве

точек s на интервале времени

модинамическое равновесие, функция распределения

от t

=

О до t =

10

Дипольный

запишется следующим образом:

 

 

момент в

момент

времени 10

 

 

 

 

 

 

 

 

Лв)

'" e-(Но+БН)/kТ = feq(s)e-БН(s)/kТ =

 

можно

выразить

равенством

 

jJ.[s(to)]

=

jJ.[.'i(0). to] = jJ.[.~. to]

 

 

 

 

= feq(s) [1 - k~8H(s) + ... ],

(14.9)

 

 

 

 

Среднее по ансамблю значе­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ние дипольного момента опре­

где feq (В) дается равенством (14.1). Последнее слагае­

деляется

начальной функцией

 

распределения /(.'i)

мое

в

квадратных скобках -

это разложение

в ряд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

e(t) = о при t < О, e(t) = 1/2 при t = О и e(t) = 1 при t > О

-

Прuме'l

авт

406 Гл 14 Взаимодействия, обусловленные флуктуациями

схр (-8Н(.ч)/kТ). Подставляя полученное выражение в (14.8) и удерживая линейные

по 8Н слагаемые, имеем 1)

jI(t) = м - k~ [(БН(s)J1(s, t)) - (J1(S, t)) (БН(s))] ,

(14.10)

где посредством (... ) обозначено математическое ожидание в отсутствие возмущения, т е. математическое ожидание, вычисленное с помощью функции распределения feq, заданной равенством (14.1). Коль скоро БН(s) есть возмущение в момент времени t = О, получаем: БН(s) = -JLk(s,О)Е2, и равенство (14.10) можно переписать следу­

ющим образом:

8Ji.J(t) = Ji.1 (t) - (JLJ(t)) = - ~; [(JLj)(JLk)

- (JLk(O)JLj(t))] =

 

= ~ ([JLk(O) - (JLk)]

[JLj(t) - (щ)]) = ~; (БJLk(О)БJLj(t)) ,

(14.11)

где мы применили (14.2), а также ввели обозначение БJLj(t) = JLj(t) - (JL)).

Подстав­

ляя этот результат в (14.7), окончательно получаем

 

 

 

(14.12)

Этот важный результат часто относят к временной флуктуационно-диссипационной

теореме. Он утверждает, что отклик системы на слабое внешнее поле можно вы­ разить с помощью флуктуаций системы в отсутствие внешнего поля! Отметим, что

корреляционная функция (БJLk(О)БJL)(t)) есть отличительная черта стационарной рав­

новесной системы и что эту корреляционную функцию можно сдвинуть по времени на произвольную величину Т, и при этом будет выполняться равенство

(14.13)

Во многих задачах удобно выразить (14.12) в частотном представлении с помо­

щью преобразования Фурье 2):

:XJ

:х>

 

0JA:(W) = 2~ f O:jk(t)eiIUtdt,

jJj(W) = 2~ f БJLJ(t)е'<иtdt.

(14.14)

-:>О

 

в частотном представлении корреляционную функцию (БДJ(w)Бfik(w')) можно рас­ считать, применяя преобразование Фурье к iiJ(W) и бдk(w') следующим образом:

х

(8ji,(w)8jl!(w')) = ~ f f(БJLj(Т')БJLk(т))е![<иТ'-<и'Т]dТ'dТ =

41!"-

-ос

00

= 4:2 f f (БJLk(т)БJLJ(t+ т))еф-<и']тe'IUtdTdt, (14.15)

1) (1- (БН)jkт)-1 ~ (1 + (БН)jkТ- .. ). - Примеч. авт

2) Поскольку функция БJ.Lj(t) описывает случайный процесс, она не является квадратично

интегрируемой и, следовательно, преобразование Фурье для нее не определено Однако эти

трудности можно преодолеть с помощью аппарата обобщенных функций. Можно показать, что

в настоящем случае преобразование Фурье можно использовать в символическом виде [3]

Примеч авт

14.1. Флуктуацuонно-дuссunацuонная теорема

407

где использована подстановка т' = т +t. Вследствие стационарности корреляционная

функция под интегралом не зависит от т, и интегрирование по т приводит К дельта­

функции. 1) Окончательное соотношение известно как теорема 8инера-Хинчина:

ос

 

(бдз(VJ )8дk(и/») = 8(VJ - VJ') 2~ J(8/-Lk( т)8мз(t + т»)е"'Л(lt,

(14.16)

-ос

которая показывает, что при надлежащие разным частотам спектральные компонен­

ты некоррелированы. Интеграл в правой части равенства называется спектраль­

ной плотностью. Чтобы получить спектральное представление флуктуационно­

диссипационной теоремы, необходимо применить преобразование Фурье (14.12).

Правая часть равенства приводит к свертке спектра ступенчатой функции 8(VJ) 2),

и спектру d/dt(8/-Lk(О)8/-LJ(t»). Чтобы избавиться от мнимой части 8, будем искать

решение не для aJk(VJ), а для ajk(VJ) - a;;)VJ). Воспользовавшись стационарностью,

теоремой Винера-Хинчина и тем фактом, что (8/-Lk(т)t5/-Lk(t + т») - вещественная

величина, получаем

(14.17)

Это равенство представляет собой аналог (14.12) в частотном представлении. Мно­ житель kT можно определить как среднюю энергию в расчете на одну степень свободы частицы в системе (принцип равнораспределения). Эта средняя энергия ос­

нована на предположении, что энергия электромагнитной волны обладает непрерыв­ ным распределением. Однако, согласно квантовой теории эти моды могут обладать

лишь дискретными значениями энергии, разделенными интервалом дЕ = l~VJ, и,

следовательно, среднюю энергию kT следует заменить:

hw

+ t~VJ,

(14.18)

kT - exp(hwjkT) _ 1

что соответствует средней энергии квантового осциллятора (первое слагаемое) и энергии нулевых колебаний (второе слагаемое). При этом в качестве последнего

слагаемого мы выбрали 1iы вместо nVJ/2 для достижения согласия с квантовой теорией, которая требует, чтобы выражение (8jij(VJ)8jik(VJ'») было антикоррелировано

при VJ > О (см. разд. 14 1.4).

В пределе при n - о или nVJ « kT подстановка (14.18) вновь принимает класси­ ческое значение kT. Переписывая правую часть (14.18) как 1iы/[I - ехр(-l/VJ/kТ)]

и подставляя это выражение в (14.18), приходим к квантовой версии флуктуационно­

диссипационной теоремы [4], [5]:

(14.19)

с правой частью полученного равенства связана диссиnация, тогда как левая часть представляет флуктуации равновесной системы. Важно отметить, что квантовая ме­ ханика приводит к диссипации даже при температуре абсолютного нуля. Остающиеся

1) f~oc exp{zxy} dy = 27rб(х)

2) ~

1

1

1

e(w) = -б(w) - --

 

2

271"

и""

408 Гл /4 Взаимодействия, обусловленные флуктуациями

флуктуации действуют только на положительных частотах! Это легко увидеть из

следующего предела:

1,

U) > О,

 

+~ъ ( ,_ e!liwlkT ) = 8(U)) = { 1/2,

U) = О,

(14.20)

О,

U) < О.

 

Флуктуационно-диссипационную теорему можно обобщить таким образом, чтобы она учитывала пространственную зависимость источников. Оказывается, что если

функция отклика системы локальна, т. е. ejk(r, t) = ejk(t) или ejk(k, U)) = ejk(U)), то

флуктуации в двух различных пространственных координатах некоррелированы [6].

Для флуктуаций плотности тока 8j(r, t) в изотропной и однородной среде с диэлек­

трической проницаемостью e(U))

равенство (14.19) можно обобщить [7]:

 

(8]J(r,U))b];(r',U)')) = Ш;Ое"(U)) С _e~~",lkT)

8(U) - UJ')8(r - r')8)k,

(14.21)

где е" - мнимая часть е,

(! -

фурье-образ 8J, а

символ Кронекера 8jk

является

следствием изотропии.

 

 

 

 

14.1.2. Белый шум.

Окончательно запишем

флуктуационно-диссипационную

теорему в той форме. в которой она была развита Колленом и Велтоном [1]. Отме­

тим, что флуктуация дипольного момента 8~ порождает локальное стохастическое

электрическое поле 8Е согласно равенству

8jl7(U)) = L>~jk(U))8Ek(U)) ], k = х, у, z,

(14.22)

k

 

которое прямо следует из временного соотношения (145), если применить к нему преобразование Фурье (14.14). Подстановка линейного соотношения в (14.19) при-

водит к равенству

(дЕ)(U))bE;(U))) = 2:zш С _e~~"'lkT) [Qk;l (U)) - a;l} (U))] б(U)- U)'),

(14.23)

 

которое задает корреляцию локального электрического поля, индуцированного флук­

туациями диполя. Интегрируя обе части равенства по U)' и применяя теорему

Винера-Хинчина, получаем

х

2:/Ц} С _(~~"'lkT) [n:k~l(U)) -Q}k1(U))] = 2~ f (БЕk.(т)БЕ)(t+т))еЖUJfdt. (14.24)

Дальнейшее интегрирование по U) приведет к возникновению дельта-функции в пра­ вой части равенства, что позволит рассчитать интеграл по времени. Окончательный

результат имеет вид

(8Ek (T)bE

 

(T))

 

 

 

х

(,_ еп-~UJ

[Qk)-l(U)) - а)/}(U))] dU).

 

 

=

-

71'

f~7Ц}

(14.25)

 

j

 

 

2'

IkT)

 

х

Теперь применим полученную формулу к флуктуациям заряда в резисторе. Флук­

туации плотности тока можно выразить через флуктуации дипольного момента

как д) = (l/dt(b/l.)8(r - г'). В предположении об изотр~ности резистора (j = k),

соотношение между током и полем задается равенством бj(U)) = -Zu)Q(U))б(г - г')8Е,

что позволяет нам определить множитель [-1U)(х(U))8(г - г,)Г1 как удельное сопро-

 

141 Флуктуацuонно-дuссunацuонная теорема

409

тивление p(w). Предполагая,

что

p(w)

-

вещественная

величина, можно

перепи­

сать (14.25)

в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

х

(1 _e~~",/kT) р(w)б(г-

 

 

 

(БЕ2) = ~

J

r')dJ.V,

(14.26)

 

 

 

 

 

 

 

и затем в терминах напряжения V и сопротивления R:

 

 

 

ос

 

 

ос

 

 

(бv2)= ~

J[1 _e~~"'/kT] R(w)dw =

~ J[1 _е:"'/АТ] R(w)dw-

 

-ос

 

 

О

 

 

 

ос

 

 

 

 

ос

 

 

-~J[1- e:"'/kT - nw] R(-w)dJ.V =

~J[en"'/~~-1 + ~ftW] R(w)(lw.

(1427)

о

 

 

 

 

о

 

 

При этом мы уменьшили интервал интегрирования до [о ... х] и воспользовались равенством R(w) = -R(-w). В левой части полученного равенства стоит среднеквад­

ратичная флуктуация напряжения. При температурах kT ftw, что характерно прак­

тически для большинства частот при комнатной температуре, выражение в скобках можно заменить его классическим пределом kT. Более того, для систем с конечной

полосой частот В = (Wmax - WmiIl)/21Г И для не зависящего от частоты сопротивления

получаем

(1428)

Полученное равенство соответствует белому шуму, или шуму Джонсона, который генерируется резистором в электрическом токе. В полосе частот 10 кГц при комнат­

ной температуре резистор 1О МОм генерирует напряжение ~ 40 МКВср кв ЗНЗ'!

14.1.3. Диссипация, обусловленная флуктуациями внешних полей. Мы

получили выражение для диссипации системы как функции флуктуаций ее зарядов.

В настоящем разделе мы получим соотношение, выражающее диссипацию через

поля, порожденные флуктуацией зарядов. Плотность тока бj в (14.21) порождает

электрическое поле

БЕ(г,w)

=

iЩlО J

го;w)бj(го,w)

d3г

о,

(14.29)

 

G(r,

 

 

Vo

где все токи ограничены областью Vo. Умножая вышеуказанное выражение на со­

ответствующее выражение для поля БЕ(г', w'), усредняя по ансамблю и применяя

(14.21), получаем

(БЕJ(г,w)БЕk(Г',w')) = [

~~"'/kT] б(w- w') х

1ГС ео

1 - е

 

Х L JGjn(r, ro;w)e"(w)Gkn(r', ro,w)(Pro. (14.30)

 

n 110

Отметим теперь, что диэлектрические.... свойства области источника определяются не

только значением е", но и тензором G, поскольку последний зависит от множителя

410

Гл

14. Взаимодействия, обусловленные флуктуациями

k 2 = (VJj(:)2c(VJ)

(см

(2.78». Поэтому вышеприведенное равенство можно переписать

для корреляционных функций электрического поля с помощью тождества [8, 9]:

l: fGJII(r,ro,VJ)c"(VJ)Gkn(r',ro;VJ)d3ro = Im[Gj1,.(r,r';VJ)],

(14.31)

11 \1;1

которое можно получить из равенства G~J(r',r;VJ) = Gj,(r,r',VJ), потребовав, что­

бы Фrнкция Грина обращалась в нуль на бесконечности, и используя определе-

ние G (2.78). Чтобы удовлетворить условию равенства нулю на бесконечности,

....

G должна состоять из уходящей и приходящей частей, гарантирующих отсутствие

переноса энергии, т. е. усредненный по времени вектор Пойнтинга должен быть равен нулю в любой точке пространства. Это условие гарантирует, что все заряды

находятся в равновесии с полем излучения [10].

Теперь флуктуационно-диссипационную теорему можно выразить через одну лишь функцию Грина:

(14.32)

Этот результат устанавливает соответствие между флуктуациями поля (левая часть)

и диссипацией (правая часть), которое выражается с помощью мнимой части функ­

ции Грина. Как и ранее, результат справедлив строго в состоянии равновесия,

т. е. тогда, когда температуры поля и источников совпадают.

14.1.4. Нормальное и антинормальное упорядочивание. Разобьем напряжен­ ность электрического поля E(t) в произвольной точке r на две части:

х

О

 

Еи) = E+(t) + E-(t) = fE(VJ)e-iwtdVJ +

f E(VJ)e-twtdVJ,

(14.33)

о-:х>

где E(VJ) - фурье-образ поля E(t). Функции E+(t) и Е-Щ более не являются

вещественными, теперь это так называемые комплексные аналитические сигналы [3].

Функция E+(t) определяется положительными частотами функции E(t), тогда как

E-(t) - отрицательными. Поскольку E(VJ) - вещественная, имеет место равенство

E*(VJ) = Е(-VJ), откуда следует, что Е- = (Е+)*. Рассмотрим также обратное пре­

образование Фурье функций E+(t) и E-(t):

х

х

 

E+(t) = f E+(VJ)e-iwtdVJ,

E-(t) = f E-(VJ)е-twtdVJ.

(14.34)

 

Очевидно, что спектры связаны с исходным спектром Е следующим образом:

E+(VJ) = {E(VJ),

VJ > О,

VJ > О,

(14.35)

О,

VJ < О,

VJ < О.

в квантовой механике Е- ассоциируют с оператором рождения a;t, а Е+ - с опе­

ратором уничтожения а; (см. разд. 8.4). Последовательность Е-Е+ описывает веро­

ятность поглощения фотона, а последовательность Е+Е- - вероятность излучения

фотона [3]. Существенно, что в квантовой механике эти процессы не идентичны,

т. е. Е+ и Е- не коммутируют. Поэтому корреляционные функции Е-Е+ (нормаль-

14.2. Излучение флуктуирующих источников

411

ное упорядочивание) и Е+Е- (антинормальное упорядочивание) следует рассчиты­

вать независимо.

Теперь обратим внимание на флуктуации поля 8E(r, t), среднее значение которых

равно нулю, и разложим их спектр на часть, соответствующую положительным

частотам, и часть, соответствующую отрицательным частотам. Воспользовавшись

результатами [4] и применяя процедуру, использованную при выводе (14.32), находим

(t5E;(r,~)8Et*(r/,~/)) =

w8\-w)

[

n:::''''/kT] Im[Gjk(г,г/,w)Jt5(~-~/),

(14.36)

 

1ГС со

1 -

е

 

(t5Еt(Г,~)8Е-;:;*(Г/,~/)) =

we~w) [

 

~~"'/kT] Im[Gjk(г,г/;~)Jt5(~-~/),

(14.37)

 

1ГС со

1 - е

 

где e(~) - ступенчатая функция.

Таким образом, корреляционная функция нор­

мально упорядоченных операторов равна нулю для положительных частот, и сходным

образом корреляционные функции антинормально упорядоченных операторов равны

нулю для отрицательных частот.

Можно показать, что (8Е)-БЕ;:;*) = (БЕ1t5Et*) = о и, следовательно, корре­

ляционная функция полного поля Е = Е- + Е+ представляет собой просто сумму

корреляционных функций вышеуказанных нормально и антинормально упорядочен­

ных полей, что возвращает нас к равенству (14.32) и позволяет интерпретировать

корреляционную функцию (8Ез8Е;') как последовательность событий поглощения

и испускания.

Для полноты картины мы также установим флуктуационно-диссипационную тео­ рему для симметризованных корреляционных функций. Интересующее нас выраже­

ние имеет вид

(1438)

Из (14.36) и (14.37) непосредственно следует, что приведенное выше выражение

равно

 

 

 

 

+1iw [-21 + n"'/k~

] 1т[Gjk(r,r/;~)J8(~- ~O)·

(14.39)

1ГС со

е

- 1

 

 

Таким образом, единственная

 

разница

по сравнению с (14.32) состоит

в замене

множителя 1 на 1/2. Следовательно, при Т = О симметризованная корреляционная

функция более не равна нулю при отрицательных частотах.

14.2. Излучение флуктуирующих источников

Плотность энергии произвольно флуктуирующего электромагнитного поля в ва­

кууме дается равенством (сравните с (2.55»

W(r, t) = ~8E(r, t) . t5E(r, t) + ~Ot5H(r, t) . t5H(r, t).

(1440)

Для упрощения записи опустим аргумент r. В предположении стационарности флук­

туаций усредненное W принимает вид

00

 

W = JW «J(~)dv; = ~ (8E(t) . 8E(t)) + ~O (8H(t) . 8H(t»).

(14.41)

412

Гл 14 Взаимодействия, обусловленные флуктуациями

 

 

Среднеквадратичное значение 8Е можно выразить следующим образом:

 

 

ос

 

 

(БЕ(t) . 8E(t)) = 2~JJ(8E(t) . 8E(t + Т))elWT dv.;dr,

(14.42)

-ос

причем для БН имеет место аналогичное выражение. Теперь можно определить

спектральную плотность энергии W w(w) как ')

х

 

ИТ",(w) = J [:~ (8E(t) . 8E(t + Т)) + ~; (8H(t) . 8H(t + Т))] e!",tdr.

(14.43)

После домножения обеих частей равенства на 8(,,", - ,,",'), применения теоремы

Винера-Хинчина и введения пространственной зависимости получаем

ИТ",(г,w)б(w -

,,",') = с; (БЕ*(г,w) . 8Е(г,,,",')) + iO (8П*(Г,""') . 8П(г,""")),

(14.44)

где БЕ и БП -

фурье-образы 8Е и 8Н соответственно. В дальнем поле

18пl =

= IБЕI VC:O/ILo,

и плотности энергии электрического и магнитного полей становятся

равны.

Определим спектральную плотность энергии ~V<и, обусловленную распределением флуктуаций тока бj в произвольной системе отсчета, предполагая, что послед-

+->

 

ние описываются диадной функцией Грина G(r,r',w). Применяя

обсуждавшиеся

в разд. 8.3.1 равенства, получаем

 

БЕ(г,w) = 2Wj.lO JG(r,r';w)81(r',w)dV',

(14.45)

\/

 

8П(г,w) = J[v х G(r,r';w)] 81(r',w)dV'.

(14.46)

v

 

После подстановки этих равенств в выражение для W W

усреднение полей сводится

к усреднению токов. 2) Последнее затем исключается посредством

флуктуационно­

диссипационной теоремы (14.21). Интегрирование по """

приводит К

равенству

П"w(г,w) = UJ('2

[ 1 - ('~~'''' /kT] Х

 

Х L J:-"(r',w) [~: I[G(r,r"W)]JkI2 + I[V Х G(r,r',w)]JkI2] dV', (14.47)

J ~

\,"

 

 

 

+->

где посредством

[G]1 k и [V х G]Jk

обозначены Jk-e элементы тензоров G и V х G

соответственно

Первое слагаемое

в скобках возникает из вклада электрического

1) Имеем в виду, что величина W'" определена как для положительных, так и для отрица"

тельных частот -

Примеч авт.

 

2) Поля. заданные системой дискретных флуктуирующих диполей, можно записать в ана­

логичной форме (см разд 83.1), а затем с помощью флуктуационно-диссипационной теоре­

мы (1423) - Примеч авт. можно вывести И"",