În mecanica cuantică, o stare coerentă este un tip de stare a oscilatorului armonic cuantic a cărui dinamică seamănă foarte mult cu comportamentul oscilator al unui oscilator armonic clasic. A fost primul exemplu de dinamică cuantică atunci când Erwin Schrödinger a derivat-o în 1926 în timp ce încerca să obțină soluțiile ecuației Schrödinger care să satisfacă principiul corespondenței .
Oscilator armonic cuantic
În mecanica cuantică , oscilatorul armonic cuantic este tratamentul unui sistem caracterizat de un potențial armonic . Rezolvarea unui sistem în mecanica cuantică înseamnă găsirea stărilor Hamiltonianului și valorile energetice corespunzătoare sau rezolvarea ecuației Schrödinger și găsirea funcției de undă care descrie sistemul .
Hamiltonianul sistemului este:
- {\ displaystyle {\ hat {H}} = {\ frac {{\ hat {p}} ^ {2}} {2m}} + {\ frac {1} {2}} m \ omega ^ {2} { \ hat {x}} ^ {2}}
unde am presupus că sistemul este unidimensional.
Există două modalități de a rezolva acest sistem: unul analitic , care se bazează pe soluția ecuației Schrödinger și unul algebric , care se bazează exclusiv pe algebra operatorilor {\ displaystyle {\ hat {p}}} și {\ displaystyle {\ hat {x}}} (vezi comutator ), metodă dezvoltată de Paul Adrien Maurice Dirac .
Definiția consistent state
O stare coerentă este o stare proprie a operatorului de anihilare (sau distrugere), prin urmare îndeplinește ecuația valorii proprii:
- {\ displaystyle {\ hat {a}} | \ alpha \ rangle = \ alpha | \ alpha \ rangle}
cu {\ displaystyle \ alpha} în general complex de ce {\ displaystyle {\ hat {a}}} nu este Hermitian . Operatorul de distrugere este în general definit ca:
- {\ displaystyle {\ hat {a}} = {\ sqrt {\ frac {m \ omega} {2 \ hbar}}} \ left (x + i {\ frac {p} {m \ omega}} \ right) }
Se poate arăta că o stare coerentă poate fi exprimată ca
- {\ displaystyle | \ alpha \ rangle = e ^ {\ alpha {\ hat {a}} ^ {\ dagger} - \ alpha ^ {*} {\ hat {a}}} | 0 \ rangle = D (\ alpha ) | 0 \ rangle}
unde este {\ displaystyle {\ hat {a}} ^ {\ dagger}} este operatorul adjunct al {\ displaystyle {\ hat {a}}} Și {\ displaystyle | 0 \ rangle} este starea fundamentală.
Coeficienții {\ displaystyle c_ {n} = \ langle {n} | \ alpha \ rangle} , unde {\ displaystyle | n \ rangle} sunt stările proprii ale hamiltonienului oscilatorului armonic, sunt infinit în mod natural și sunt obținute din următoarea relație
- {\ displaystyle c_ {n} = {\ frac {\ alpha ^ {n}} {\ sqrt {n!}}} e ^ {- {\ frac {{| \ alpha |} ^ {2}} {2} }}}
De fapt, din definiția stării coerente și din moment ce operatorul de creație acționează în acest fel {\ displaystyle {\ hat {a}} ^ {\ dagger} | n \ rangle = {\ sqrt {n + 1}} | n + 1 \ rangle} :
- {\ displaystyle c_ {0} = \ langle 0 | \ alpha \ rangle = {\ frac {1} {\ alpha}} \ langle 0 | {\ hat {a}} | \ alpha \ rangle = {\ frac {\ sqrt {1}} {\ alpha}} \ langle 1 | \ alpha \ rangle = {\ frac {\ sqrt {1}} {\ alpha ^ {2}}} \ langle 1 | {\ hat {a}} | \ alpha \ rangle = {\ frac {{\ sqrt {1}} {\ sqrt {2}}} {\ alpha ^ {2}}} \ langle 2 | \ alpha \ rangle = \ ldots = {\ frac {\ sqrt {n!}} {\ alpha ^ {n}}} \ langle n | \ alpha \ rangle = {\ frac {\ sqrt {n!}} {\ alpha ^ {n}}} c_ {n} \; \; \; \; \ longrightarrow \; \; \; \; c_ {n} = {\ frac {\ alpha ^ {n}} {\ sqrt {n!}}} c_ {0}}
Valoarea inițială {\ displaystyle c_ {0} = e ^ {- {\ frac {{| \ alpha |} ^ {2}} {2}}}} se obține prin impunerea condiției de normalizare a probabilității:
- {\ displaystyle 1 = \ sum _ {n = 0} ^ {+ \ infty} {| c_ {n} |} ^ {2} = {| c_ {0} |} ^ {2} \ sum _ {n = 0} ^ {+ \ infty} {\ frac {{{\ bigl (} {| \ alpha |} ^ {2} {\ bigr)}} ^ {n}} {n!}} = {| C_ {0 } |} ^ {2} e ^ {{| \ alpha |} ^ {2}} \; \; \; \; \ Longrightarrow \; \; \; \; c_ {0} = e ^ {- {\ frac {{| \ alpha |} ^ {2}} {2}}}}
unde a fost ales prin convenție {\ displaystyle c_ {0} \ in \ mathbb {R}} . Este important de remarcat modul în care forma cadru a acestei succesiuni
- {\ displaystyle P (n) = {| c_ {n} |} ^ {2} = {\ frac {{| \ alpha |} ^ {2n}} {n!}} e ^ {{- | \ alpha | } ^ {2}}}
reprezintă o distribuție Poisson , care prezintă valoarea maximă, adică cea mai probabilă valoare, pentru {\ displaystyle n = {| \ alpha |} ^ {2}} . De fapt, pentru această valoare
- {\ displaystyle E_ {n} = \ left (n + {\ frac {1} {2}} \ right) \ hbar \ omega = \ left ({| \ alpha |} ^ {2} + {\ frac {1 } {2}} \ right) \ hbar \ omega}
precum și valoarea medie a hamiltonianului asupra unei stări coerente:
- {\ displaystyle \ langle \ alpha | {\ hat {H}} | \ alpha \ rangle = \ sum _ {n = 0} ^ {+ \ infty} {| c_ {n} |} ^ {2} E_ {n } = {\ frac {1} {2}} \ hbar \ omega \ underbrace {\ sum _ {n = 0} ^ {+ \ infty} {| c_ {n} |} ^ {2}} _ {= 1 } + \ sum _ {n = 0} ^ {+ \ infty} {| c_ {n} |} ^ {2} n \ hbar \ omega = {\ frac {\ hbar \ omega} {2}} + \ hbar \ omega \ sum _ {n = 1} ^ {+ \ infty} e ^ {- {| \ alpha |} ^ {2}} {\ frac {{| \ alpha |} ^ {2n}} {n!} } n =}
decât plasarea {\ displaystyle k = n-1} :
- {\ displaystyle = {\ frac {\ hbar \ omega} {2}} + \ hbar \ omega \ sum _ {k = 0} ^ {+ \ infty} e ^ {- {| \ alpha |} ^ {2} } {\ frac {{| \ alpha |} ^ {2 (k + 1)}} {k!}} = {\ frac {\ hbar \ omega} {2}} + \ hbar \ omega {| \ alpha | } ^ {2} \ underbrace {\ sum _ {k = 0} ^ {+ \ infty} e ^ {- {| \ alpha |} ^ {2}} {\ frac {{| \ alpha |} ^ {2k }} {k!}}} _ {= 1} = \ left ({| \ alpha |} ^ {2} + {\ frac {1} {2}} \ right) \ hbar \ omega}
Funcția de undă a unei stări coerente
O stare consecventă în acel moment {\ displaystyle t_ {0} = 0} rămâne consecvent pentru vremuri {\ displaystyle t> t_ {0}} , adică dacă {\ displaystyle | \ alpha (t) \ rangle = U (t, 0) | \ alpha (0) \ rangle} (conform reprezentării lui Schrödinger) atunci {\ displaystyle {\ hat {a}} | \ alpha (t) \ rangle = \ alpha (t) | \ alpha (t) \ rangle} cu
- {\ displaystyle \ alpha (t) = e ^ {- i \ omega t} \ alpha (0)}
Prin urmare, în spațiul de coordonate, înmulțind cu sutienul {\ displaystyle \ langle x |} , relația anterioară este echivalentă cu rezolvarea următoarei ecuații diferențiale:
- {\ displaystyle {\ sqrt {\ frac {m \ omega} {2 \ hbar}}} \ left (x + {\ frac {\ hbar} {m \ omega}} {\ frac {\ partial} {\ partial x }} \ right) \ psi _ {\ alpha} (x, t) = \ alpha (t) \ psi _ {\ alpha} (x, t)}
pe care îl admite ca soluție
- {\ displaystyle \ psi _ {\ alpha} (x, t) = {\ left ({\ frac {m \ omega} {\ pi \ hbar}} \ right)} ^ {\ frac {1} {4}} e ^ {- {\ frac {m \ omega} {2 \ hbar}} {\ left (x - {\ sqrt {\ frac {2 \ hbar} {m \ omega}}} \ Re [\ alpha (t) ] \ right)} ^ {2} + i {\ sqrt {\ frac {2m \ omega} {\ hbar}}} \ Im [\ alpha (t)] x + i \ theta (t)}}
unde este {\ displaystyle \ theta (t)} este o fază care trebuie determinată prin impunerea faptului că funcția de undă satisface ecuația Schrödinger. Rezultă că:
- {\ displaystyle \ theta (t) = - {\ frac {\ omega t} {2}} + {\ frac {| \ alpha (0) | ^ {2} \ sin (2 \ omega t-2 \ sigma) } {2}} \; \; \; \; \ qquad {\ mbox {con}} \; \; \; \; \ alpha (0) \ equiv | \ alpha (0) | \ exp (i \ sigma )}}
unde este {\ displaystyle \ sigma} este faza inițială a valorii proprii.
Valorile medii ale poziției și momentului fluctuează ca un sistem clasic:
- {\ displaystyle \ langle {\ hat {x}} (t) \ rangle = {\ sqrt {\ frac {2 \ hbar} {m \ omega}}} \ Re [\ alpha (t)] = | \ alpha ( 0) | {\ sqrt {\ frac {2 \ hbar} {m \ omega}}} \ cos (\ sigma - \ omega t)}
- {\ displaystyle \ langle {\ hat {p}} (t) \ rangle = {\ sqrt {2m \ hbar \ omega}} \ Im [\ alpha (t)] = | \ alpha (0) | {\ sqrt { 2m \ hbar \ omega}} \ sin (\ sigma - \ omega t)}
în timp ce densitatea probabilității rămâne un Gauss centrat pe această valoare medie oscilând în timp:
- {\ displaystyle | \ psi _ {\ alpha} (x, t) | ^ {2} = {\ sqrt {\ frac {m \ omega} {\ hbar \ pi}}} e ^ {- {\ frac {m \ omega} {\ hbar}} \ left (x- \ langle {\ hat {x}} (t) \ rangle \ right) ^ {2}}}
În cele din urmă, se poate arăta că statele coerente satisfac cel puțin principiul incertitudinii : {\ displaystyle {\ left ({D {\ hat {x}}} _ {\ alpha} \ right)} ^ {2} {\ left ({D {\ hat {p}}} _ {\ alpha} \ dreapta)} ^ {2} = {\ frac {\ hbar ^ {2}} {4}}} .
Bibliografie
- David J. Griffiths , Introducere în mecanica cuantică , ediția a II-a, Prentice Hall, 2004, ISBN 0-13-805326-X .
- Liboff, Richard L. , Introductory Quantum Mechanics , Addison-Wesley, 2002, ISBN 0-8053-8714-5 .
Elemente conexe
Alte proiecte