Квантовое туннелирование с дельта-потенциалом

Я пытаюсь создать анимацию квантового туннелирования, подобную этой .

Я изучал QM самостоятельно, поэтому, пожалуйста, простите и исправьте любые ошибки.

Я рассмотрел потенциальный барьер α дельта ( Икс ) где α является реальной константой и дельта принадлежит Дираку.

Я предположил, что волна приходит слева (идет справа), которая либо отражается от барьера, либо туннелирует через барьер. Решение независимого от времени уравнения Шредингера дало мне

ψ ( Икс ) "=" { 1 е я к Икс + р е я к Икс : Икс < 0 Т е я к Икс : Икс > 0
где к "=" 2 м Е . Здесь | р | 2 дает вероятность отражения волны и | Т | 2 вероятность туннелирования волны через барьер.

Мы хотим ψ быть непрерывным, и мы хотим, как ε 0 + ,

2 2 м ε ε д 2 ψ д Икс 2   д Икс + α ε ε дельта ( Икс ) ψ ( Икс )   д Икс "=" Е ε ε ψ ( Икс )   д Икс
лим ε 0 [ д ψ д Икс ] ε ε "=" 2 м α 2 ψ ( 0 )
Применение этих условий дает мне
р "=" α 2 я к α        и        Т "=" 2 я к 2 я к α

ψ ( Икс ) "=" { е я к Икс + ( α 2 я к α ) е я к Икс : Икс < 0 ( 2 я к 2 я к α ) е я к Икс : Икс > 0

Включая зависящий от времени термин ф ( т ) "=" е я Е т / "=" е я к 2 т / 2 м дает

ψ ( Икс ) ф ( т ) "=" { е я к ( Икс + к т / 2 м ) + ( α 2 я к α ) е я к ( Икс к т / 2 м ) : Икс < 0 ( 2 я к 2 я к α ) е я к ( Икс + к т / 2 м ) : Икс > 0

я посмотрел на | ψ ( Икс ) ф ( т ) | 2 и это не зависит от т .

Гриффитс упоминает о линейной комбинации ψ ( Икс ) ф ( т ) , но никаких подробностей не сообщает.

Есть идеи?

Решение независимого от времени уравнения Шредингера дает вам собственные функции, которые по определению не меняются со временем (за исключением фазы). Правильно будет либо начать с начального волнового пакета и численно решить зависящее от времени уравнение Шредингера, либо Фурье расширить волновой пакет с точки зрения ваших собственных функций.
@JahanClaes Я не совсем понимаю, что вы подразумеваете под волновым пакетом. Это то, что мы получаем, суммируя ψ к ( Икс ) ф к ( т ) для к на открытом интервале?
к е я ф ( к ) ψ к ( Икс ) ф к ( т )   д к
Вы упоминаете разложение Фурье. Я не знаю, связано ли это, но если у меня Ψ ( Икс , 0 ) и я хочу найти Ψ ( Икс , т ) затем я использую преобразование Фурье, как Гриффитс на страницах 61 и 62.
«Эльберфельд, В., Клебер, М. (1988) Зависимое от времени туннелирование через тонкие барьеры: простое аналитическое решение». и волновые функции к этой проблеме.

Ответы (1)

Если вы хотели получить что-то, что изменяется во времени, то вы начали не с той ноги, когда занялись поиском решений уравнения Шредингера, не зависящего от времени . Волновая функция, которую вы записали, является собственной функцией гамильтониана, и, как таковая, никакая физическая наблюдаемая величина никогда не изменится во времени.

Если вы хотите построить решение с волновым пакетом, который действительно движется, то это никогда не будет решением ТИСЭ; вместо этого вам нужно построить решение зависящего от времени уравнения Шредингера с подходящим начальным условием, а затем позволить ему распространяться.

К счастью, вы уже сделали большую часть необходимой работы по построению соответствующих собственных состояний континуума. ψ к ( Икс ) (и, следовательно, связанные с ними решения TDSE, е я к 2 т / 2 м ψ к ( Икс ) ), и все, что вам нужно, это собрать их в волновой пакет. Как обычно это делается, начиная с гаусса слева и с импульса справа,

ψ 0 ( Икс , т 0 ) "=" Н опыт ( 1 2 о 2 ( Икс Икс 0 ) 2 + я п 0 Икс ) ,
разложите это с помощью преобразования Фурье на сумму плоских волн, распространите эти плоские волны на собственные состояния барьера, которые вы нашли, добавьте зависящую от времени фазу, а затем выполните преобразование Фурье обратно в пространство положений.

Как в сторону; скорее всего, вам будет трудно найти хорошее поддающееся обработке элементарное решение для вашей зависящей от времени волновой функции в конце всего этого. Я пробовал что-то подобное раньше, и интегралы стали довольно запутанными, и с ними было трудно иметь дело. Честно говоря, для меня было быстрее использовать клен для численного решения уравнения Шредингера, зависящего от времени, аппроксимируя дельта-потенциал остроконечной гауссианой.
Спасибо за ваш ответ. Как вы говорите, мои собственные функции не являются физическими состояниями — их нельзя нормализовать. Гриффитс (на стр. 75) отмечает это и продолжает, говоря, что нам нужно составить линейную комбинацию этих состояний. Я подумал, что, возможно, это будет интеграл на коротком интервале к ценности, скажем
К ε К + ε ф ( к ) ψ к ( Икс ) ф к ( т ) е я Икс к   д к
Хотя, наверное, я совершенно не прав!
@chuxley Как вы думаете, как была сделана анимация? upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/…
Второй вопрос, пожалуйста, Эмилио: Можете ли вы порекомендовать хорошую ссылку на все после вашего первого абзаца. Я читаю Гриффитса и встречал слово волновой пакет, но не очень в нем уверен.
Если бы мне пришлось гадать, я бы сказал, что это численное моделирование. У меня есть программа Java, которую я скачал в какой-то момент, которая сделала что-то подобное. Погуглите "квантовый тюнинг Phet". Сам java-апплет позволяет изменять ширину и высоту прямоугольного потенциального барьера. Сделайте ширину маленькой, а высоту большой, чтобы аппроксимировать дельта-потенциал. В вашем интеграле, который вы указали выше, вы не можете забыть факторы, зависящие от времени. Я почти уверен, что вам нужно включить e^(i*E(k)*t/h). Я посмотрю, смогу ли я работать с преобразованиями Фурье позже, когда вернусь домой с работы.
@Fly by Night - physicspages.com/2012/07/28/free-particle-gaussian-wave-packet . Вот хороший веб-сайт, на котором есть куча общих проблем QM, которые вам, вероятно, понравятся. Ссылка здесь говорит о построении гауссовского волнового пакета для свободной частицы. Я бы начал с подобных вещей, прежде чем приступить к конструированию волновых пакетов для частиц в потенциале. Я пытался отправить вам ссылку в личку, но не мог понять как (я знаю, что комментарии не для продолжительных разговоров - извините :).
@FlybyNight Хорошая ссылка - Квантовая механика Дэвида Таннора: перспектива, зависящая от времени .