Матрица спин-орбитальной связи в p-орбитальной основе

Итак, у меня есть следующий гамильтониан, унаследованный от атомной физики:

ЧАС С О С = α L S = α 2 ( Л + σ + + L - σ - + L Z σ Z ) ЧАС S О С знак равно α L S знак равно α 2 ( L + σ + + L - σ - + L Z σ Z )

Где L - момент импульса, S - спин, и L ± ( σ ± ) L ± ( σ ± ) является оператором шага вверх / вниз по угловому моменту (спину).

Сейчас в основе п п орбитали и вращение: { | п Икс ⟩⟩ , | п Икс , | п Y ⟩⟩ , | п Y , | п Z ⟩⟩ , | п Z } { | п Икс , | п Икс , | п Y , | п Y , | п Z , | п Z } мы получаем следующее 6 × 6 6 × 6 матрица:

ЧАС С О С = α 2 0 я 0 0 0 1 - я 0 0 0 0 я 0 0 0 - 1 - я 0 0 0 - 1 0 - я 0 0 0 я я 0 0 1 1 0 0 0 0 ЧАС S О С знак равно α 2 ( 0 - я 0 0 0 1 я 0 0 0 0 1 0 0 0 - 1 я 0 0 0 - 1 0 я 0 0 0 - я - я 0 0 1 я 0 0 0 0 )

Извините за незнание, но как именно рассчитываются эти матричные элементы?

Я понимаю, что первый матричный элемент - это энергия спиновой орбитальной связи ⟨Р Икс | п Икс | электрон действует на | п Икс | п Икс электрон, поскольку они имеют одинаковую ориентацию, энергия, безусловно, должна быть равна нулю. Но теперь у нас есть ⟨Р Y | п Y | электрон действует на | п Икс | п Икс орбитальный и мы получаем я я , Как это рассчитывается? Может кто-то показать шаги для расчета одного матричного элемента, чтобы я мог видеть, как это делается. И нет, это не домашняя работа или что-то еще, просто мое личное любопытство.

В Интернете я нашел что-то похожее, но они использовали коэффициенты Клебша – Гордана, что смутило меня больше.

Написать п п орбитали в терминах сферических гармоник (например, | п Икс = 1 2 ( | + 1⟩ + | - 1⟩ | п Икс знак равно 1 2 ( | + 1 + | - 1 ). С этим, L + | п Икс = 1 2 ( Л + | + 1⟩ + L + | - 1⟩ ) = 1 2 ( 0 + | 0⟩ ) L + | п Икс знак равно 1 2 ( L + | + 1 + L + | - 1 ) знак равно 1 2 ( 0 + | 0 ) , и т.д.
Хм, хорошо, это отправная точка - хотя я не уверен, как вы выражаете орбиту p_x таким образом, в нотации Дирака. А потом ... как вы включаете оператор вращения и как вы на самом деле находите матричные элементы между двумя электронами
смотрите здесь
@AccidentalFourierTransform Извините, что надоедаю, но я действительно не понимаю, как получить матричные элементы. Был на это некоторое время. Можете ли вы просто сделать пример для меня? Скажите первый столбец второй элемент строки я я , Думаю, мне просто нужно увидеть проработанный пример, чтобы понять это. Спасибо, что так любезно.

Ответы (2)

Во-первых, я думаю, что ваш ЧАС S O C ЧАС S О С неверно и должен читать:

ЧАС S O C = α 2 ( Л + σ - + L - σ + + L Z σ Z ) , (1) (1) ЧАС S О С знак равно α 2 ( L + σ - + L - σ + + L Z σ Z ) ,

Суть вашей проблемы в том, что она использует реальные сферические гармоники, а не сложную экспоненциальную форму, более распространенную в физике и лучше адаптированную для оценки матричных элементов. Преобразование между ними можно найти на этой вики-странице.

Таким образом:

п Y п Икс п Z = я 2 - ( Y - 1 1 + Y 1 1 ) | п Y I = я 2 - ( | 1 , - 1⟩ + | 1 , 1⟩ ) , = 1 2 - ( Y - 1 1 - Y 1 1 ) | п Y I = я 2 - ( | 1 , - 1⟩ + | 1 , 1⟩ ) , = Y 0 1 | п Z = | 1 , 0⟩ , (2) (3) (4) (2) п Y знак равно я 2 ( Y 1 - 1 + Y 1 1 ) | п Y знак равно я 2 ( | 1 , - 1 + | 1 , 1 ) , (3) п Икс знак равно 1 2 ( Y 1 - 1 - Y 1 1 ) | п Y знак равно я 2 ( | 1 , - 1 + | 1 , 1 ) , (4) п Z знак равно Y 1 0 | п Z знак равно | 1 , 0 ,
где аргументы ( θ , φ ) ( θ , φ ) из Y м Y м были опущены для ясности.

Следующий шаг - вспомнить действие различных операторов на Y м Y м :

L ^ ± Y м L ^ Z Y м = ( ∓ ∓ м ) ( ± м + 1 ) - - - - - - - - - - - - - - - Y м ± 1 , = м Y м (5) (6) (5) L ^ ± Y м знак равно ( м ) ( ± м + 1 ) Y м ± 1 , (6) L ^ Z Y м знак равно м Y м
например, из которого получается (если я не делал очевидных ошибок), матричное представление L ^ + L ^ + в основании { | п Икс , | п Y , | п Z } { | п Икс , | п Y , | п Z }
L ^ + | п Икс = | п Z L ^ + | п Y I = я | п Z L ^ + | п Z = - | п Икс - я | п Y , (7) (7) L ^ + | п Икс знак равно | п Z L ^ + | п Y знак равно я | п Z L ^ + | п Z знак равно - | п Икс - я | п Y ,
и что
L ^ + 0 0 1 0 0 я - 1 - я 0 , L ^ - 0 0 - 1 0 0 я 1 - я 0 , (8) (8) L ^ + ( 0 0 - 1 0 0 - я 1 я 0 ) , L ^ - ( 0 0 1 0 0 - я - 1 я 0 ) ,
поскольку матричное представление для L ^ - L ^ - будет транспонировать сопряженное матричное представление для L ^ + L ^ + , Точно так же:
σ ^ + | = 0 , σ ^ + | = | , σ ^ - | ⟩⟩ = | , σ ^ - | = 0 , (9) (9) σ ^ + | знак равно 0 , σ ^ + | знак равно | , σ ^ - | знак равно | , σ ^ - | знак равно 0 ,
Следовательно:
L ^ + σ ^ - | п Икс ; L ^ - σ ^ + | п Икс ; L ^ Z σ ^ Z | п Икс ; = [ L ^ + | п Икс ] [ Σ ^ - | ] = | п Z | = | п Z ; , = 0 , = [ L ^ Z | п Икс ] [ Σ ^ Z | ] = я | п Y | I⟩ = я | п Y ; (10) (11) (12) (10) L ^ + σ ^ - | п Икс ; знак равно [ L ^ + | п Икс ] [ σ ^ - | ] знак равно | п Z | знак равно | п Z ; , (11) L ^ - σ ^ + | п Икс ; знак равно 0 , (12) L ^ Z σ ^ Z | п Икс ; знак равно [ L ^ Z | п Икс ] [ σ ^ Z | ] знак равно я | п Y | знак равно я | п Y ;
Это не совсем первый столбец вашей матрицы, но, насколько я понимаю, эта матрица также не совсем корректна, поскольку она должна быть эрмитовой, но это не так: например, элемент матрицы в позиции ( 2 , 6 ) ( 2 , 6 ) должен быть комплексным сопряжением матричного элемента в положении ( 6 , 2 ) ( 6 , 2 ) , В любом случае, мой расчет дал бы элементы в первом столбце как
( 0 , 0 , i , 0 , 0 , 1 ) T (13) (13) ( 0 , 0 , я , 0 , 0 , 1 ) T

Это может быть потому, что базовые элементы упорядочены как { | п Икс ⟩⟩ , | п Y ⟩⟩ , | п Z ⟩⟩ , | п Икс , | п Y , | п Z } { | п Икс , | п Y , | п Z , | п Икс , | п Y , | п Z } а не порядок, который вы даете (иначе вполне возможно, что я где-то допустил ошибку). С этим заказом моя первая колонка вышла бы как ( 0 , i , 0 , 0 , 0 , 1 ) T ( 0 , я , 0 , 0 , 0 , 1 ) T , который идентичен вашему. Обратите внимание, что это не решает проблему герметичности, упомянутую ранее.

Другие столбцы находятся таким же образом.

Например, посмотрите на запись 1,2:

( H S O C ) 1 , 2 знак равно < р Икс | ЧАС S O C | п Икс > знак равно < р Икс | α 2 ( Л + σ + + L - σ - + L Z σ Z ) | п Икс > знак равно ( ЧАС S О С ) 1 , 2 знак равно < п Икс | ЧАС S О С | п Икс ↓> знак равно < п Икс | α 2 ( L + σ + + L - σ - + L Z σ Z ) | п Икс ↓> знак равно

знак равно α 2 ( < р Икс | L + σ + | п Икс > + < p Икс | L - σ - | п Икс > + < p Икс | L Z σ Z | п Икс > ) . знак равно α 2 ( < п Икс | L + σ + | п Икс ↓> + < п Икс | L - σ - | п Икс ↓> + < п Икс | L Z σ Z | п Икс ↓> ) ,

Это все становится длиннее, поэтому давайте посмотрим только на первое слагаемое, здесь оператор спин-лестница действует только на вращающуюся часть продукта, а лестница вверх ускоряет вращение вниз, поэтому мы получаем:

< р Икс | L + σ + | п Икс > знак равно < > < p Икс | L + | п Икс > < п Икс | L + σ + | п Икс ↓> знак равно <↑↑> < п Икс | L + | п Икс > ,

в выражении справа от знака равенства «интеграл» по функциям только координаты вращения находится слева, а интеграл по пространству - справа, и с вышеописанным материалом из AccidentialFourierTransform (фактически о том, как выразить сферические гармоники в основе, которая может быть оценена с помощью лестничных операторов), что дает

1 p < р Икс 1 2 | 0 + | 0 > знак равно 1 2 < р Икс | 0 > = , , знак равно 1 2 0 = 0. 1 < п Икс 1 2 | 0 + | 0 > знак равно 1 2 < п Икс | 0 > знак равно , , , знак равно 1 2 0 знак равно 0.

Это о том, что вы должны сделать, чтобы оценить эти матричные элементы (с некоторыми ошибками).