- Квантовый осциллятор
-
Гармонический осциллятор в квантовой механике представляет собой квантовый аналог простого гармонического осциллятора, при этом рассматривают не силы, действующие на частицу, а гамильтониан, то есть полную энергию гармонического осциллятора, причём потенциальная энергия предполагается квадратично зависящей от координат.
Содержание
Задача о гармоническом осцилляторе в координатном представлении
Гамильтониан квантового осциллятора массы m, собственная частота которого ω, выглядит так:
В координатном представлении , . Задача об отыскании уровней энергии гармонического осциллятора сводится к нахождению таких чисел E при которых следующее дифференциальное уравнение в частных производных
имеет решение в классе квадратично интегрируемых функций для:
- .
Решение имеет вид:
функции — полиномы Эрмита:
Данный спектр значений E заслуживает внимания по двум причинам: во-первых уровни энергии дискретны и равноотстоящи, то есть разница в энергии между двумя соседними уровнями постоянна и равна . Во-вторых наименьшее значение энергии равно . Этот уровень называют основным, вакуумом, или уровнем нулевых колебаний.
Операторы рождения и уничтожения
Гораздо проще спектр гармонического осциллятора можно получить с помощью операторов рождения и уничтожения, сопряжённых друг другу.
Оператор рождения:
Оператор уничтожения:
Их коммутатор равен
С помощью операторов рождения и уничтожения гамильтониан квантового осциллятора записывается в компактном виде:
- ,
где — оператор номера уровня (чисел заполнения).
Ангармонический осциллятор
Под ангармоническим осциллятором понимают осциллятор с неквадратичной зависимостью потенциальной энергии от координаты. Простейшим приближением ангармонического осциллятора является приближение потенциальной энергии до третьего слагаемого в ряде Тейлора:
Точное решение задачи о спектре энергии такого осциллятора довольно трудоёмкое, однако можно вычислить поправки к энергии, если предположить, что кубическое слагаемое мало по сравнению с квадратичным, и воспользоваться теорией возмущений.
В представлении операторов рождения и уничтожения (представление вторичного квантования), кубическое слагаемое равно
Этот оператор имеет нулевые диагональные элементы, а потому первая поправка теории возмущений отсутствует. Вторая поправка к энергии произвольного невакуумного состояния равна
Многочастичный квантовый осциллятор
В простейшем случае взаимодействия нескольких частиц можно применить модель многочастичного квантового осциллятора, подразумевая взаимодействие соседних частиц по квадратичному закону:
Здесь под и подразумеваются отклонение (от положения равновесия) и импульс -той частицы. Суммирование ведётся только по соседним частицам.
Такая модель приводит к теоретическому обоснованию фононов — бозе-квазичастиц, наблюдающихся в твёрдом теле.
Переходы под влиянием внешней силы
Под влиянием внешней силы квантовый осциллятор может переходить с одного уровня энергии () на другой (). Вероятность этого перехода для осциллятора без затухания даётся формулой:
- ,
где функция определяется как:
- ,
а — полиномы Лагерра.
См. также
Wikimedia Foundation. 2010.