Sidotut tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 5. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Samankaltaiset tiedostot
Tilat ja observaabelit

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Kvanttimekaniikan perusteet

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

S Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Aineaaltodynamiikkaa

Kvanttimekaniikkaa yhdessä ulottuvuudessa

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

Kvanttifysiikan perusteet 2017

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Kvanttimekaniikan perusteet

1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

Vapaat tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 6. Mikro- ja nanotekniikan laitos

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Korkeammat derivaatat

Korkeammat derivaatat

Luku 8: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEET...57

Aineen aaltoluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 4. Mikro- ja nanotekniikan laitos

780392A/782631S Fysikaalinen kemia II, 5 op / 4 op

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Jatko-opintoseminaari Kevyttä johdattelua kvanttimekaniikkaan: Tila-avaruus. Petteri Laakkonen

Korkeammat derivaatat

PHYS-C0210 Kvanttimekaniikka: peruskäsitteitä

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Potentiaalikuoppa, työohje

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Aineen ja valon vuorovaikutukset

Potentiaalikuoppa, työohje

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2016

Esimerkki: 2- atominen molekyyli. Korkeammat derivaatat 1/24/13. Jo kerran derivoitu funk6o voidaan derivoida uudelleen. Yleisemmin merkitään:

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

Potentiaalikuoppa, työohje 12. lokakuuta 2015

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

AINEAALTODYNAMIIKKA...105

Kvanttimekaniikka: Luento 2. Mar$kainen Jani- Petri

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2011

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

Korrespondenssiperiaate. Tapio Hansson Oulun Yliopisto, Fysiikan laitos Ohjaaja: Mikko Saarela

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

T R Hψ = H(r + R)ψ(r + R) = H(r)ψ(r + R) Kahden peräkkäisen translaation vaikutus ei riipu

Luento 13: Periodinen liike

Spin ja atomifysiikka

TILASTOLLISEN KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEITA (AH ) Mikrotilat (kertausta Kvanttimekaniikan kurssilta)

KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

Jukka Tulkki 8. Laskuharjoitus (ratkaisut) Palautus torstaihin 3.4 klo 12:00 mennessä. x 2

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

ja KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

Kvanttimekaniikka kolmessa ulottuvuudessa Case vetyatomi

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

a 1 y 1 (x) + a 2 y 2 (x) = 0 vain jos a 1 = a 2 = 0

dx = d dψ dx ) + eikx (ik du u + 2ike e ikx u i ike ikx u + e udx

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

Shrödingerin yhtälön johto

KVANTTIMEKANIIKKA I Johdatus alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään A/S

Todennäköisyys ja epämääräisyysperiaate

Osa VI. Fourier analyysi. A.Rasila, J.v.Pfaler () Mat Matematiikan peruskurssi KP3-i 12. lokakuuta / 246

FysA230/3 Potentiaalikuoppa Suppea raportti

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

Insinöörimatematiikka D

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Kvanttidynamiikka Tarkastellaan ensin hieman bra/ket-merkintää ja vertaillaan sitä muihin merkintätapoihin.

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

Luento 9: Potentiaalienergia

Kvanttimekaniikka I A/S. Jani Tuorila Fysiikan laitos Oulun yliopisto

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE

Matemaattinen Analyysi

.) (b) Vertaa p :tä vastaavaa kineettistä energiaa perustilan kokonaisenergiaan. ( ) ( ) = = Ek

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

Kvanttimekaniikka: Luento 4. Martikainen Jani- Petri

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

Kvanttimekaniikka II A/S. Jani Tuorila Fysiikan laitos Oulun yliopisto

Transkriptio:

Sidotut tilat Harris luku 5 Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala Mikro- ja nanotekniikan laitos Kevät 2016

Johdanto Tähän asti tutkittu aineaaltojen ominaisuuksia Seuraavaksi ryhdytään käyttämään aineaaltoja luonnon ja ilmiöiden kuvaamiseen kvanttimekaniikan näkökulmasta Miten huomioida ulkoiset voimat? Schrödingerin yhtälö kuvaa ulkoisten voimien vaikutusta Taseyhtälö jossa yhdistetään kineettinen energia ja potentiaalienergia hiukkasen kokonaisenergiaan Tutkitaan sidottuja tiloja, eli tiloja joihin hiukkanen (elektroni) on rajoitettu ulkoisen potentiaalin takia Tutustutaan kolmeen yksinkertaiseen tapaukseen Sidotut tilat Sami Kujala Kevät 2016 Mikro- ja nanotekniikan laitos Harris luku 5

Schrödingerin yhtälö Case 1: Ääretön potentiaalikuoppa Case 2: Äärellinen potentiaalikuoppa Case 3: Harmoninen oskillaattori Johdanto aaltomekaniikan yleiseen rakenteeseen

Schrödingerin yhtälö Ajasta riippuva tapaus 2 2 Ψ(x, t) + U(x)Ψ(x, t) = Ψ(x, t) i 2m x 2 t Kuvaa hiukkasen kokonaisenergiaa (kineettinen e. + potentiaalie. = kokonaise.) Klassisessa mekaniikassa ratkaistaan F net = d p/dt = m d 2 r(t)/dt 2 r(t):n suhteen Kvanttimekaniikassa ratkaistaan Ψ(x, t) kun U(x) tunnetaan (tai arvataan) Mitä tarkoittaa nettovoiman F kannalta? Mitä edellytyksiä on nettovoimalle? Sidotut tilat Sami Kujala Kevät 2016 Mikro- ja nanotekniikan laitos Harris luku 5

Schrödingerin yhtälön ratkaiseminen Separointi Oletetaan, että aaltofunktio Ψ(x, t) voidaan esittää muodossa Ψ(x, t) = ψ(x)φ(t) Sijoitetaan yrite Schrödingerin yhtälöön: 2 ψ(x) 2m φ(t) 2 + U(x)ψ(x)φ(t) = i ψ(x) φ(t) x 2 t Jaetaan puolittain ψ(x)φ(t):llä (= separointi) C on separointivakio 2 1 2 ψ(x) + U(x) = i 1 φ(t) = 2m ψ(x) x 2 C φ(t) t Oletus rajaa mahdollisia tilanteita (miksi?) Onnistuuko separointi kaikilla mahdollisilla potentiaalin U funktionaalisilla muodoilla?

Schrödingerin yhtälön ratkaiseminen Ajasta riippumaton Schrödingerin yhtälö Ajasta riippuva osa on 1. kertaluvun differentiaaliyhtälö, jonka ratkaisu on φ(t) = e i C t C/ kuvaa värähtelyä kulmataajuudella ω, joten C = ω eli kokonaisenergia E = C Aineaalto Ψ(x, t) = ψ(x) e i E t φ(t) = e i E t Todennäköisyystiheys Ψ(x, t) 2 = Ψ (x, t)ψ(x, t) = ψ (x)ψ(x) ei riipu ajasta Sijoitetaan aineaalto takaisin Schödingerin yhtälöön, jolloin saadaan 2 2 ψ(x) + U(x)ψ(x) = Eψ(x) 2m x 2 = ajasta riippumaton Schrödingerin yhtälö; myös ominaisarvoyhtälö

Sopivat aaltofunktiot Aaltofunktion pitää kuvata a) fysikaalista tilannetta ja b) todennäköisyyttä hiukkasen ominaisuuksista Näiden takia sopivalta aaltofunktiolta edellytetään ψ(x, t) 2 dx = 1 koko avaruus Integraalin on myös oltava olemassa (ns. neliöintegroituvuus/square integrability) Funktion pitää olla jatkuva ja sileä (funktio ja sen 1. derivaatta oltava jatkuvia) Mitä tapahtuisi jos funktio ei olisi sileä (engl. smooth)? Sidotut tilat Sami Kujala Kevät 2016 Mikro- ja nanotekniikan laitos Harris luku 5

Schrödingerin yhtälö Case 1: Ääretön potentiaalikuoppa Case 2: Äärellinen potentiaalikuoppa Case 3: Harmoninen oskillaattori Johdanto aaltomekaniikan yleiseen rakenteeseen

Case 1: Ääretön potentiaalikuoppa E U = U = 0 U = E k 0 L Äärettömän syvä potentiaalikuoppa (-kaivo) (engl. potential well, quantum well) Potentiaali U(x) = 0, x [0, L] ja U(x) =, muualla Potentiaalin muodon takia aaltofunktio ψ(x) = 0 kaivon ulkopuolella Schrödingerin yhtälö kaivon sisällä d 2 ψ(x) dx 2 = 2mE ψ(x) = 2 k 2 ψ(x) x

Ääretön potentiaalikuoppa Schrödingerin yhtälön ratkaisu on ψ(x) = A sin kx + B cos kx Reunaehdoista saadaan x = 0 : B cos(k0) = 0 = B = 0 x = L : A sin(kl) = 0 = k = nπ L Siis ψ(x) = A sin nπ L x n positiivinen kokonaisluku huom! n 0 Edelleen koska k 2 = n2 π 2 L 2 = E n = n2 π 2 2 2mL 2 energia kvantittunut!

Ääretön potentiaalikuoppa Normalisaatio Määritetään lopuksi vakio A sillä ehdolla että hiukkanen täytyy löytyä laatikosta Siten ratkaisu on ψ(x) 2 dx = = A = ψ n (x) = 2 L L 0 ψ(x) 2 dx = 1 2 L sin nπ L x E n = n2 π 2 2 2mL 2 = äärettömän potentiaalikaivon/kvanttikaivon aaltofunktiot ja niitä vastaava energia

Ääretön kvanttikaivo Huomiot Kvanttikaivossa Energia kvantittunut, eli energia ei ole jatkuva suure Energia ei voi olla nolla Minimienergia ns. perustilan (engl. ground state) n = 1 suuruinen Aaltofunktio muodostaa seisovia aaltoja Vastaavuusperiaate: korkeilla n-luvuilla (kvanttiluvuilla) hiukkasen energia suuri joten se käyttäytyy kuin klassinen hiukkanen Tehtäviä Miksi hiukkasen energia ei voi olla nolla kvanttikaivossa? Todennäköisyystiheydessä nollakohtia, miten hiukkanen pääsee paikasta toiseen? Voidaanko hiukkasta ja sen liikettä seurata kvanttikaivossa?

Sovellus: Kvanttikaivolaser Vapaat elektronit johtavuusvyöllä Ei varsinaisesti kvantittumista Valenssivyöllä tiukemmin sidottuja elektroneja Jos valenssivyöltä puuttuu elektroneja, johtavuuselektroni voi pudota energiassa alaspäin, luovuttaen erotuksen fotonina Vapaiden elektronien energiajakauma suuri fotonien energiajakauma suuri Ei hyvä laitteen toiminnan kannalta

Sovellus: Kvanttikaivolaser Ratkaistaan ongelma seostamalla rakenteeseen ohut kerros muuta puolijohdetta Saadaan johtavuusvyöhön kvanttikaivo elektronien energia kvantittuu taas Tarkemmin määritelty fotonienergia Kvanttikaivon paksuutta ja materiaalia voidaan säätää bandgap engineering Todellisuudessa tilanne ei ole ihan näin ideaalinen Kvanttikaivo ei ole äärellinen, sekä muut kiinteän olomuodon fysiikan ilmiöt vaikuttavat Nykyään suositaan kvanttipisteitä ja -lankoja (3D- ja 2D-kvanttikaivoja)

Schrödingerin yhtälö Case 1: Ääretön potentiaalikuoppa Case 2: Äärellinen potentiaalikuoppa Case 3: Harmoninen oskillaattori Johdanto aaltomekaniikan yleiseen rakenteeseen

Case 2: Äärellinen potentiaalikuoppa II I E III U = U 0 E k U = 0 L/2 L/2 Potentiaali U(x) = 0, x [0, L] ja U(x) = U 0, muualla Schrödingerin yhtälö d 2 ψ(x) + 2m ( ) U(x) E ψ(x) = 0 dx 2 2 Hiukkanen voi paeta kaivosta, jos E > U 0. Tarkastellaan tilannetta jossa E < U 0 x

Äärellinen potentiaalikuoppa Alue I I-alueessa U(x) = 0 < E, joten Schrödingerin yhtälö on d 2 ψ(x) dx 2 = 2m 2 ( E ) ψ(x) = k 2 ψ(x) Ratkaisu on ψ I (x) = A sin kx + B cos kx Ratkaistaan hieman eri tavalla kuin kirjassa (lopputulos sama, mutta intuitiivisempi) Nyt reunaehdot eivät määrää aaltofunktiota nollaksi reunoilla

Äärellinen potentiaalikuoppa Alueet II ja III Reuna-alueilla U(x) = U 0 > E, joten Schrödingerin yhtälö on d 2 ψ(x) dx 2 = 2m 2 ( U0 E ) ψ(x) = α 2 ψ(x) Tämän ratkaisut ovat eri alueissa ψ II (x) = C e αx + D e αx ψ III (x) = F e αx + G e αx Jotta aaltofunktiot eivät divergoisi, täytyy olla D = 0 ja F = 0, joten ψ II (x) = C e αx ψ III (x) = G e αx

Äärellinen potentiaalikuoppa Alueiden yhdistäminen Aaltofunktio on nyt paloittain jatkuva ja normalisoituva Kootaan alueet, vaatimalla että funktiot ψ I, ψ II ja ψ III ovat yhdessä jatkuva ja sileä kokonaisuus x = L/2 : C e α L 2 αc e α L 2 x = L/2 : G e α L 2 αg e α L 2 Jaetaan yhtälöt keskenään ja järjestellään termejä = A sin kl 2 + B cos kl 2 = ka cos kl 2 + kb sin kl 2 = A sin kl 2 + B cos kl 2 = ka cos kl 2 kb sin kl 2

Ääärellinen potentiaalikuoppa Parilliset ja parittomat tilat Jaetaan yhtälöt keskenään ja järjestellään termejä α k = A cos kl 2 + B sin kl 2 A sin kl 2 B cos kl 2 = B sin kl 2 A cos kl 2 A sin kl 2 + B cos kl 2 Edelleen sieventämällä saadaan ehto AB = AB, joka toteutuu vain jos A = 0 ja B 0 tai päinvastoin Toteutuu jos A tai B on nolla. Yhtäaikaa eivät voi olla nolla (miksi?) Vastaus jakautuu parillisiin ja parittomiin aaltofunktioihin parillinen funktio: ψ( x) = ψ(x) pariton funktio: ψ( x) = ψ(x) esim cos esim sin

Äärellinen potentiaalikuoppa Parilliset ja parittomat tilat α k = A cos kl 2 + B sin kl 2 A sin kl 2 B cos kl 2 Parillisille tiloille A = 0, jolloin α k = tan kl 2 Parittomille tiloille B = 0, jolloin α k = cot kl 2 = tan = cot ml 2 E U0 E = 2 2 E ml 2 E U0 E = 2 2 E Kvantittumisehdot parillisille ja parittomille ratkaisuille Tiloja on äärellinen määrä

Äärellinen potentiaalikuoppa Graafinen ratkaisu α k = A cos kl 2 + B sin kl 2 A sin kl 2 B cos kl 2 Määritellään dimensiottomat muuttujat u = αl/2, v = kl/2 sekä apumuuttuja u 0 = ml 2 U 0 / 2, jolloin u 2 = u0 2 + v 2 ja sijoitetaan ne kvantittumisehtoihin: { u0 2 v 2 v tan v, = v cot v, Tästä nähdään, että tilojen määrä on rajoitettu parilliset tilat parittomat tilat Koska v tan v ja v cot v kun v nπ/2, niin on mahdollista että se leikkaa käyrän u0 2 v 2 (eli löytyy ratkaisu). Neliöjuurilauseke on nolla kun v = u 0. 2u0 Siten n max = π Korkeammilla n:n arvoilla hiukkanen pakenee kaivosta

Äärellinen potentiaalikuoppa Graafinen ratkaisu ja aaltofunktiot

Äärellinen potentiaalikuoppa Huomiot Kun potentiaalikaivo on äärellinen, aaltofunktio voi tunkeutua klassisesti kielletylle alueelle U 0 > E Sen mittaaminen sieltä kuitenkin mahdotonta (miksi?) Lasketaan kuinka syvälle aaltofunktio voi tunkeutua. Alueissa II ja III ψ(x) e α x : e αδ = e 1 = δ = 1 α = 2m(U0 E) δ on tunkeutumissyvyys (engl. penetration depth) vrt. smg-aallon heijastuminen johteen pinnalta ja skin depth Mitä tapahtuisi, jos kvanttikaivon vieressä olisi hyvin lähellä (< δ) toinen kvanttikaivo ja niiden välissä potentiaali U 0?

Ääretön vs. äärellinen potentiaalikuoppa

Schrödingerin yhtälö Case 1: Ääretön potentiaalikuoppa Case 2: Äärellinen potentiaalikuoppa Case 3: Harmoninen oskillaattori Johdanto aaltomekaniikan yleiseen rakenteeseen

Case 3: Harmoninen oskillaattori Viimeinen yksinkertainen yksiulotteinen tapaus: potentiaali U(x) = 1 2 κx 2, eli harmoninen oskillaattori Realistisempi kuin kaksi edellistä, mutta ratkeaa edelleen analyyttisesti Erittäin hyvä approksimaatio todellisen kaksiatomisen molekyylin atomien välisestä potentiaalista, kun ollaan lähellä tasapainopistettä (vrt. mekaniikka) Jatkuva ja sileä funktio (tähän asti paloittain määritelty epäjatkuva) Ajasta riippumaton Schrödingerin yhtälö: 2 2 ψ(x) + 1 2m x 2 2 κx 2 ψ(x) = Eψ(x)

Harmoninen oskillaattori Hermiten polynomit 2 2 ψ(x) + 1 2m x 2 2 κx 2 ψ(x) = Eψ(x) Muokataan Schödingerin yhtälö standardimuotoon 1 apumuuttujilla β 4 = mκ 2, z = βx ja λ = 2E m κ = 2E ω, joten d 2 ψ(z) + (λ dz 2 z 2 )ψ(z) = 0 Tämän ratkaisut ovat ns. Hermiten polynomien ja Gaussin funktion tuloja ( 1 ) 1 2 ψ n (z) = π 2 n H n (z) e 1 2 z2 n! H n (z) määritelty rekursiivisesti: H n (z) = 2z H n 1 (z) 2(n 1) H n 2 (z), missä H 0 = 1, H 1 = 2z, H 2 = 4z 2 2,... n oltava kokonaisluku Energiatilat ovat E n = ( n + 1 2 ) ω, missä ω = κ/m (taajuus sama kuin klassisessa tapauksessa)

Harmoninen oskillaattori Kokonaisaaltofunktio ja sen ominaisuuksia Aaltofunktio kokonaisuudessaan ( β ) 1 2 ψ n (x) = π 2 n H n (βx) e 1 2 β2 x 2 n! Muutama Hermiten polynomi H 0 (z) = 1 H 2 (z) = 4z 2 2 H 1 (z) = 2z H 3 (z) = 8z 3 12z ψ n xψ m dx = 0 paitsi jos n = m ± 1 eli n = ±1 Tarkoittaa että E = ω ja että harmoninen oskillaattori voi siirtyä vain yhden tilan kerrallaan ylös- tai alaspäin

Schrödingerin yhtälö Case 1: Ääretön potentiaalikuoppa Case 2: Äärellinen potentiaalikuoppa Case 3: Harmoninen oskillaattori Johdanto aaltomekaniikan yleiseen rakenteeseen

Kvanttimekaniikan postulaatit Postulaatti I Klassisen mekaniikan mitattava suure Q (observaabeli, engl. observable) kuvataan kvanttimekaniikassa operaattorilla ˆQ Operaattorilla itsessään ei ole fysikaalista tulkintaa Tulkinta saadaan, kun operaattori operoi aaltofunktioon Operaattori Symboli Matemaattinen muoto Hamilton Ĥ 2 2m 2 + U paikka ˆr r liikemäärä ˆp i energia Ê i t

Postulaatti II Kun suureen Q arvoja mitataan, mahdolliset mittaustulokset ovat operaattorin ˆQ ominaisarvoja (eigenvalues) q i : ˆQψ = qψ Ratkaistaan siis yhtäaikaa ominaisarvot q i ja niitä vastaavat ominaistilat (eigenstate) ψ i Esimerkiksi Schrödingerin yhtälö ajasta riippumattomassa muodossa Ĥψ = Eψ Sidotut tilat Sami Kujala Kevät 2016 Mikro- ja nanotekniikan laitos Harris luku 5

Postulaatti III Ekspansiopostulaatti Hiukkasen normitettu aaltofunktio ψ(x) voidaan esittää operaattorin ˆQ ominaistilojen ψ i painotettuna summana ψ(x) = c i ψ i i=1 Tästä seuraa, että mitattaessa hyvin määriteltyä suuretta Q, saadaan tulokseksi ominaisarvo q i todennäköisyydellä c i 2, missä c i = Jos systeemi ominaistilalla ψ n, mittauksista aina sama ominaisarvo Jos systeemi on yleisellä tilalla ψ, mittaaminen pakottaa sen ominaistilalle Esimerkki ψ i ψ dx Elektroni äärettömässä potentiaalikaivosssa tilalla n, josta putoaa tilalle m Pudotessa aaltofunktio sekoitus kahden tilan aaltofunktioita ψ = dψ n + f ψ m, missä d 2 + f 2 = 1 (normeeraus) Tämä tila on ei-stationaarinen tila

Postulaatti IV Odotusarvo Fysikaalisen suureen Q kokeellinen mittausarvo samassa tilassa oleville hiukkasille (monta toistoa) on operaattorin ˆQ odotusarvo (expectation value) Lasketaan aaltofunktion ja operaattorin integraalina Q = Q = ψ ˆQψ dx Jatketaan potentiaalikaivoesimerkkiä ja lasketaan energian odotusarvo E = ψ Ĥψ dx = ψ ( 2 2 ) ψ 2m x 2 dx =... = d 2 E n + f 2 E m

Standardipoikkeama Q Tilastollisen suureen keskipoikkeama/standardipoikkeama kuvaa mittaustulosten hajontaa odotusarvon ympäristössä Suureen x mittaustulos x k (k = 1, 2,..., N) esiintyy todennäköisyydellä P k ( P k = 1) Odotusarvo x = Pk x k Pk = P k x k Standardipoikkeama x = P k ( x x x k ) 2 = 2 ( x ) 2 Jatkuvalle suureelle Q summaus muuttuu integroinniksi Q = ψ ˆQψ dx Q Q = 2 ( Q ) 2 Q 2 = ψ ˆQ ˆQψ dx

Hyvin määritelty funktio Observaabelin Q aaltofunktio ψ on hyvin määritelty joss ψ on operaattorin ominaisfunktio ja sitä vastaava ominaisarvo on hyvin määritelty: Q hyvin määritelty Q = 0 ˆQψ = Q ψ Liikemäärä (ˆp ja e ikx ): ˆp e ikx = i x e ikx = k e ikx Energia (Ê ja e iωt ): Ê e iωt = i t e iωt = ω e iωt Paikka (x ja δ(x x 0 )): ˆxδ(x x 0 ) = x 0 δ(x x 0 ) (Diracin deltafunktio) δ(x x 0 ) = {, x = x 0 0, muuten δ(x) dx = 1

Digress: Operaattorit ja kommutaatio Kirjan ulkopuolelta Toisin kuin numerot, operaattorit eivät välttämättä kommutoi ˆB ˆB (esim ˆx ja ˆp) Kommutaattorioperaattori [ Â, ˆB] = ˆB ˆB (kommutaatiorelaatio) Keskeinen asia kvanttimekaniikassa! Voidaan osoittaa, että observaabelien A ja B standardipoikkeamat A ja B ovat kytketty kommutaatiorelaation kautta ( ) 2 ( ) 2 1 2 A B i[â, ˆB] 4 Merkitys: Jos systeemille löytyy joukko hyvin määriteltyjä observaabeleita A, B,..., M, jotka kommutoivat ja joiden yhteinen ominaistila on ψ ab...m, niiden antama tieto on kaikki minkä systeemistä voi kerralla mitata, eli ne ovat hyvin määriteltyjä Muiden observaabelien Q odotusarvot eivät ole hyvin määriteltyjä ( Q 0)

Kommutaatio ja yhtäaikaa määritettävät suureet Kommutoimattomia observaabeleita ei siis voi määrittää yhtäaikaisesti Keskenään kommutoimattomia observaabeleita kutsutaan komplementaariksi suureiksi, toisiaan täydentäviksi suureiksi (vrt. paikka ja liikemäärä) Pointti: tässä käytettiin ainoastaan operaattorien välistä kommutaatioehtoa ei aaltofunktioita eikä niiden muotoa, eikä aalto-hiukkas -dualismia Sidotut tilat Sami Kujala Kevät 2016 Mikro- ja nanotekniikan laitos Harris luku 5

Ei-stationaariset tilat Miten atomi voi emittoida fotoneja? En i Atomi sidotussa tilassa: Ψ n (x, t) = ψ n (x) e t Schrödingerin yhtälö lineaarinen yhtälö: kahden ratkaisun superpositio myös ratkaisu joten En i Ψ(x, t) = ψ n (x) e t + ψ m (x) e i Em t Ψ(x, t) 2 = Ψ Ψ = ψ nψ n + ψ mψ m + ψ nψ m e i En Em t + ψmψ n e i Em En t Esimerkiksi äärettömälle kvanttikaivolle Ψ(x, t) 2 = ψ n 2 + ψ m 2 En E ) m + 2ψn ψ m cos( t

Ei-stationaariset tilat Todennäköisyystiheys riippuu ajasta Ψ(x, t) 2 = ψn 2 + ψ m 2 En E ) m + 2ψn ψ m cos( t Kuvaa karkeasti tilannetta jossa elektroni hyppää tilalta n tilalle m Hypyn aikana elektronin aaltofunktio on yhdistelmä molempien tilojen aaltofunktioita Tilan energia ei ole hyvin määritelty Energia pitää säilyä, joten ylim. energia purkautuu fotonina Kun tn.tiheys samaistetaan varaustiheyteen, stationaarisella tilalla tn.tiheys (ja varaustiheys) ei riipu ajasta ei säteilyä Ei-stationaarisella tilalla tn.tiheys (ja varaustiheys) riippuu ajasta säteilyä