UA OPTI570 量子力学22 2-D Isotropic Q.H.O.简介

  • 基本概念
  • 2-D state的矩阵表示

基本概念

这一讲介绍一个2-D量子谐振子的例子作为量子谐振子这部分的结尾。考虑2-D Isotropic Q.H.O.,
V=Vx+Vy=12mw2(X2+Y2)H=Hx+Hy=Px2+Py22m+12mw2(X2+Y2)V=V_x+V_y=\frac{1}{2}mw^2(X^2+Y^2) \\ H = H_x+H_y=\frac{P_x^2+P_y^2}{2m}+\frac{1}{2}mw^2(X^2+Y^2)V=Vx​+Vy​=21​mw2(X2+Y2)H=Hx​+Hy​=2mPx2​+Py2​​+21​mw2(X2+Y2)

定义湮灭算符
ax=12(Xσ+iσPxℏ)ay=12(Yσ+iσPyℏ)a_x=\frac{1}{\sqrt{2}}\left( \frac{X}{\sigma}+\frac{i\sigma P_x}{\hbar}\right) \\ a_y=\frac{1}{\sqrt{2}}\left( \frac{Y}{\sigma}+\frac{i\sigma P_y}{\hbar}\right)ax​=2​1​(σX​+ℏiσPx​​)ay​=2​1​(σY​+ℏiσPy​​)

Coherent state满足
ax∣αx⟩=αx∣αx⟩,αx=12(⟨X⟩σ+iσ⟨Px⟩ℏ),∣αx⟩=e−∣αx∣22∑nx=0+∞αxnxnx!∣nx⟩ay∣αy⟩=αy∣αy⟩,αy=12(⟨Y⟩σ+iσ⟨Py⟩ℏ),∣αy⟩=e−∣αy∣22∑ny=0+∞αynyny!∣ny⟩a_x |\alpha_x \rangle = \alpha_x | \alpha_x \rangle,\alpha_x=\frac{1}{\sqrt{2}}\left( \frac{\langle X \rangle }{\sigma}+\frac{i\sigma \langle P_x \rangle }{\hbar}\right),|\alpha_x \rangle = e^{-\frac{|\alpha_x|^2}{2}}\sum_{n_x=0}^{+\infty} \frac{\alpha_x^{n_x}}{\sqrt{n_x!}}|n_x \rangle \\ a_y |\alpha_y \rangle = \alpha_y | \alpha_y\rangle,\alpha_y=\frac{1}{\sqrt{2}}\left( \frac{\langle Y \rangle }{\sigma}+\frac{i\sigma \langle P_y \rangle }{\hbar}\right),|\alpha_y \rangle = e^{-\frac{|\alpha_y|^2}{2}}\sum_{n_y=0}^{+\infty} \frac{\alpha_y^{n_y}}{\sqrt{n_y!}}|n_y \rangleax​∣αx​⟩=αx​∣αx​⟩,αx​=2​1​(σ⟨X⟩​+ℏiσ⟨Px​⟩​),∣αx​⟩=e−2∣αx​∣2​nx​=0∑+∞​nx​!​αxnx​​​∣nx​⟩ay​∣αy​⟩=αy​∣αy​⟩,αy​=2​1​(σ⟨Y⟩​+ℏiσ⟨Py​⟩​),∣αy​⟩=e−2∣αy​∣2​ny​=0∑+∞​ny​!​αyny​​​∣ny​⟩

记x与y方向的energy eigenstate分别为Ex={∣nx⟩}\mathcal{E}_x=\{|n_x \rangle\}Ex​={∣nx​⟩}与Ey={∣ny⟩}\mathcal{E}_{y}=\{|n_y \rangle\}Ey​={∣ny​⟩},则系统的energy eigenstate为
E={∣nx,ny⟩}=Ex⊗Ey\mathcal{E} =\{|n_x,n_y \rangle\}= \mathcal{E}_x \otimes \mathcal{E}_yE={∣nx​,ny​⟩}=Ex​⊗Ey​

其中⊗\otimes⊗表示张量积。所以
∣αx,αy⟩=e−∣αx∣22e−∣αy∣22∑nx,ny=0+∞αxnxαynynx!ny!∣nx,ny⟩|\alpha_x,\alpha_y \rangle = e^{-\frac{|\alpha_x|^2}{2}}e^{-\frac{|\alpha_y|^2}{2}}\sum_{n_x,n_y=0}^{+\infty} \frac{\alpha_x^{n_x}\alpha_y^{n_y}}{\sqrt{n_x!}\sqrt{n_y!}}|n_x,n_y \rangle∣αx​,αy​⟩=e−2∣αx​∣2​e−2∣αy​∣2​nx​,ny​=0∑+∞​nx​!​ny​!​αxnx​​αyny​​​∣nx​,ny​⟩

某一方向上的哈密顿量的作用为
Hx∣nx,ny⟩=Hx1y∣nx,ny⟩=(Hx∣nx⟩)⊗(1∣ny⟩)=ℏw(n+1/2)∣nx,ny⟩H_x|n_x,n_y \rangle = H_x1_y |n_x,n_y \rangle=(H_x|n_x \rangle)\otimes(1|n_y \rangle) = \hbar w(n+1/2)|n_x,n_y \rangleHx​∣nx​,ny​⟩=Hx​1y​∣nx​,ny​⟩=(Hx​∣nx​⟩)⊗(1∣ny​⟩)=ℏw(n+1/2)∣nx​,ny​⟩

湮灭算符的作用为
ax∣αx,αy⟩=αx∣αx,αy⟩axay∣αx,αy⟩=αx∣αx,αy⟩axay†∣nx,ny⟩=nxny+1∣nx−1,ny+1⟩,nx≥1a_x|\alpha_x,\alpha_y \rangle=\alpha_x | \alpha_x,\alpha_y \rangle \\ a_xa_y|\alpha_x,\alpha_y \rangle=\alpha_x | \alpha_x,\alpha_y \rangle \\ a_xa_y^{\dag}|n_x,n_y \rangle=\sqrt{n_x}\sqrt{n_y+1} | n_x-1,n_y+1 \rangle,n_x \ge 1ax​∣αx​,αy​⟩=αx​∣αx​,αy​⟩ax​ay​∣αx​,αy​⟩=αx​∣αx​,αy​⟩ax​ay†​∣nx​,ny​⟩=nx​​ny​+1​∣nx​−1,ny​+1⟩,nx​≥1

Displacement Operator的作用为
Dx(αx)Dy(αy)∣nx=0,ny=0⟩=∣αx,αy⟩D_x(\alpha_x)D_y(\alpha_y)|n_x=0,n_y=0 \rangle = |\alpha_x,\alpha_y \rangleDx​(αx​)Dy​(αy​)∣nx​=0,ny​=0⟩=∣αx​,αy​⟩

2-D state的矩阵表示

按先y后x的顺序,比如nx,ny=0,1,2n_x,n_y=0,1,2nx​,ny​=0,1,2,
E={∣00⟩,∣01⟩,∣10⟩,∣02⟩,∣11⟩,∣20⟩,∣12⟩,∣21⟩,∣22⟩}\mathcal{E}=\{|00 \rangle,|01 \rangle,|10 \rangle,|02 \rangle,|11 \rangle,|20 \rangle,|12 \rangle,|21 \rangle,|22\rangle\}E={∣00⟩,∣01⟩,∣10⟩,∣02⟩,∣11⟩,∣20⟩,∣12⟩,∣21⟩,∣22⟩}

这几个状态的向量表示为e1,e2,⋯,e8e_1,e_2,\cdots,e_8e1​,e2​,⋯,e8​,哈密顿量的矩阵表示为
ℏw⋅diag(1,2,2,3,3,3,4,4,5)\hbar w \cdot diag(1,2,2,3,3,3,4,4,5)ℏw⋅diag(1,2,2,3,3,3,4,4,5)

如果某个量子态满足
∣ψ⟩=∑nx,nycnx,ny∣nx,ny⟩|\psi \rangle = \sum_{n_x,n_y}c_{n_x,n_y}|n_x,n_y \rangle∣ψ⟩=nx​,ny​∑​cnx​,ny​​∣nx​,ny​⟩

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