Der quantenmechanische Prozess, bei dem ein angeregter diskreter Emittent (Atom, Molekül, Quantenpunkt oder anderes Zwei- bzw. Mehrniveausystem) ohne externes stimulierendes Feld einen Photon in den quantisierten elektromagnetischen Vakuumzustand abstrahlt und dabei in einen niedrigeren Energiezustand übergeht.

Prinzip

Die Kopplung des angeregten Zustands an das Kontinuum der Vakuummoden des elektromagnetischen Feldes liefert eine endliche Übergangsamplitude; nach Fermi's Goldener Regel ist die Zerfallsrate proportional zum Quadrat des Übergangsdipolmatrixelements und zur lokalen photonenmodendichte, sodass Vakuumfluktuationen die Emission treiben.

Demonstration

Ein isoliertes Atom in einem angeregten elektronischen Zustand zerfällt mit einer exponentiellen Lebensdauer (z. B. Nanosekunden für viele optische Übergänge) und emittiert ein einzelnes Photon, dessen spektrale Breite durch den Kehrwert der Lebensdauer bestimmt wird; Messungen an einzelnen Quantenpunkten zeigen zufällige Photonankunftszeiten, die der spontanen Emission folgen.

Fehlanwendung

Jede thermische oder inkohärente Strahlung als spontane Emission zu bezeichnen (ohne zu beachten, dass thermische Emission populationsgetrieben und breitbandig ist), oder die Strahlung einer klassisch beschleunigten Ladung ohne Bezug auf quantisierte Feldmoden mit quantenmechanischer spontaner Emission gleichzusetzen.

Konsequenz

Legt die natürliche Strahlungslebensdauer und die minimale Linienbreite isolierter quantenmechanischer Emittenten fest, begrenzt Kohärenzzeiten in vielen Quantensystemen und liefert eine fundamentale Quelle einzelner Photonen sowie vakuuminduzierter Übergänge.

Umkehrung

Die Umkehr ist die Unterdrückung bzw. Hemmung der Emission (z. B. bei verringerter Modendichte) oder praktisch die stimulierte Emission, bei der ein eintreffendes Photon die Transition induziert statt der Vakuumfluktuationen.

Abgrenzung

Gilt für quantisierte Emittenten, die an quantisierte elektromagnetische Felder gekoppelt sind; schließt rein klassische Antennen, breitbandige thermische Quellen (Schwarzkörperstrahlung) und nichtstrahlende Relaxationskanäle (phononvermittelte Dekays) aus, sofern diese Reservoirs nicht explizit quantisiert sind.

Semantische Spannung

Wird häufig in nichttechnischen Kontexten mit stimulierter Emission verwechselt oder mit scheinbar spontaner Strahlung aus klassischen, verrauschten Quellen gleichgesetzt; die Spannung liegt zwischen vakuumgetriebenen Einzelereignissen und ensemble- bzw. thermisch bedingten Strahlungsprozessen.

Synthese

Spontane Emission ist der vom Vakuum getriebene, irreversib­le radiative Zerfall eines angeregten quantenmechanischen Emittenten in quantisierte Feldmoden; die Rate folgt vom Übergangsmatrixelement und der lokalen Modendichte und bestimmt fundamentale Lebensdauern und Linienbreiten.