Le processus quantique par lequel un émetteur excité discret (atome, molécule, point quantique ou autre système à deux ou plusieurs niveaux) émet irréversiblement un photon dans le vide électromagnétique quantifié sans champ stimulant externe, entraînant une transition vers un état d'énergie inférieure.

Principe

Le couplage de l'état excité au continuum des modes électromagnétiques du vide fournit une amplitude de transition non nulle ; la règle d'or de Fermi relie le taux de décroissance au carré de l'élément de matrice du dipôle de transition et à la densité locale d'états photoniques, les fluctuations du vide provoquant l'émission.

Démonstration

Un atome isolé préparé dans un état électronique excité décroît avec une durée caractéristique exponentielle (par exemple, nanosecondes pour de nombreuses transitions optiques) et émet un photon unique dont la largeur spectrale est fixée par l'inverse de la durée de vie ; des expériences sur un seul point quantique montrent des temps d'arrivée de photons aléatoires gouvernés par la décroissance spontanée.

Mauvaise application

Qualifier de 'spontanée' toute émission thermique ou incohérente (sans reconnaître que l'émission thermique provient de populations et est large en fréquence), ou assimiler la radiation d'une charge classique accélérée à l'émission spontanée quantique sans référence aux modes de champ quantifiés.

Conséquence

Définit la durée de vie radiative naturelle et la largeur minimale des raies des émetteurs quantiques isolés, limite les temps de cohérence dans de nombreux systèmes quantiques et constitue une source fondamentale de photons uniques et de transitions induites par le vide.

Inversion

Le renversement s'exprime par l'inhibition ou la suppression de l'émission (par exemple lorsque la densité d'états est réduite) ou, opérationnellement, par l'émission stimulée où un photon entrant induit la transition plutôt que les fluctuations du vide seules.

Limite

S'applique aux émetteurs quantifiés couplés à des champs électromagnétiques quantifiés ; exclut les antennes purement classiques, les sources thermiques à large spectre décrites par les statistiques du corps noir et les canaux de relaxation non radiatifs (décroissance par interactions phononiques) sauf si ces réservoirs sont explicitement quantifiés.

Tension sémantique

Souvent confondue avec l'émission stimulée dans les descriptions non techniques, ou avec des radiations apparemment spontanées provenant de sources classiques bruyantes ; la tension est entre événements quantiques uniques induits par le vide et processus radiatifs d'ensemble ou thermiques.

Synthèse

L'émission spontanée est la décroissance radiative, irréversible, d'un émetteur quantique excité vers les modes de champ quantifiés du vide ; son taux dépend de l'élément de matrice de transition et de la densité locale d'états photoniques, déterminant durées de vie et largeurs de raie fondamentales.