Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Операторы рождения и уничтожения фононов






    В рамках модели гармонического кристалла нельзя объяснить некоторые экспериментальные факты, такие как тепловое расширение кристалла, конечное значение коэффициента теплопроводности, зависимость упругих постоянных кристалла от давления и температуры. Серьезным доказательством наличия ангармонических эффектов являются также эксперименты, указывающие на наличие взаимодействия между фононами, в результате чего появляется новый фонон.

    Процесс рождения и уничтожения фононов удобно представить с помощью квантовомеханических операторов рождения и уничтожения, действующих на функцию состояния системы. Гамильтониан одиночного гармонического осциллятора, записанный через сопряженные координату x и импульс p, имеет следующий вид:

    .

     

    Сопряженные операторы координаты x и импульса p подчиняются соотношению коммутации (скобки Пуассона) такого типа [ x, p ] = –iћ.

    Можно выбрать новые операторы рождения a+ и уничтожения а возбуждения, введенные как линейные комбинации операторов координаты и импульса с помощью простого преобразования:

    .

     

    Коммутационные соотношения для этих операторов проще и имеют вид [ a, a+ ] = 1. Выражая теперь H через эти операторы, получаем

     

    .

     

    Таким образом, гамильтониан имеет вид

     

    .

     

    Квантовые свойства системы определены этим гамильтонианом и операторами рождения а+ и уничтожения a возбуждения. Поскольку произведение вида а+а встречается довольно часто и играет важную роль, часто определяют оператор:

    Х=а+а.

     

    Скобки Пуассона оператора Х с операторами a и a+ выглядят так:

     

    [ Х, а ] = Ха–аХ = а+аа–аа+а = (а+а–аа+) а = – а.

     

    Аналогично находим, что [ Х, a+ ] = a+.

     

    Как легко видеть из выражения для гамильтониана, его собственные значения определяются собственными значениями оператора Х=а+а. Эти собственные значения – целые положительные числа, поскольку решение для гармонического осциллятора хорошо известно. Пусть собственные вектора или волновые функции Y (собственные состояния) обозначаются по Дираку как | >. Это – " кет-вектор". Вектор, комплексно сопряженный кет-вектору, т.е. Y* записывается < | и называется " бра-вектор". Запись < |A|> означает интеграл вида

     

    и называется " бра-кет". Это удобные обозначения для работы с операторами рождения и уничтожения возбуждений. Для оператора Х=а+а

    можно написать

     

    Х | > = n | >.

     

    Здесь n – натуральное положительное число. Легко проверить, что действие операторов Ха и Хa+ на состояние | > дает

    Ха|> =а (Х– 1) |> = а (n– 1) |> = (n– 1) а|>; Ха+|> = (n+ 1) a+|>.

    Поэтому а | > и a + | > можно рассматривать как собственные состояния оператора Х, имеющие собственные значения n– 1 и n+ 1 соответственно. Тогда, если рассматривать наинизшее состояние |0>, то собственному состоянию a + |0>, согласно написанному уравнению, соответствует собственное значение n= 1. Следовательно, состояние a + |0> можно записать так:

     

    a+| 0 > =| 1 > const.

     

    Повторяя этот процесс n раз, получим:

     

    a+|n> =|n+ 1 > const.

     

    Аналогично, действие оператора а на систему выглядит так:

     

    а|n> =|n– 1 > const.

     

    Константы, входящие в эти выражения, можно получить, так что действие операторов рождения и уничтожения возбуждения выглядит следующим образом:

    a+|n > = (n +1)1/2| n +1>

    a | n > =(n)1/2| n– 1>

    Таким образом, действие оператора a + переводит систему в ближайшее более высокое состояние. Отсюда термин " оператор рождения". Оператор a, действуя на собственное состояние системы, переводит ее в ближайшее более низкое состояние; отсюда термин " оператор уничтожения".

     

     






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.