Quantum Tunneling. Rob Hesselink. Maart Introductie 2. 2 De Schrödingervergelijking 2. 3 Eigentoestanden van de barrière 3

Vergelijkbare documenten
Verstrooiing aan potentialen

Voorbeeld 1: Oneindig diepe potentiaalput

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 2: September 29, 2016

Tentamen. Kwantumchemie & Fysica (4051QCHFY-1314FWN) Datum: 10 April Tijd/tijdsduur: 3 uur

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 4: 13 oktober 2016

TRILLINGEN EN GOLVEN HANDOUT FOURIER

Commutatie-relaties voor impulsmoment

Beschouw allereerst het eenvoudig geval van een superpositie van twee harmonische golven die samen een amplitude gemoduleerde golf vormen:

Schrödinger vergelijking. Tous Spuijbroek Cursus Quantumwereld Najaar 2013

QUANTUM FYSICA 1 3NB50. donderdag 28 oktober uur. Dit tentamen omvat 2 opgaven.

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 3: 6 oktober 2016


Lineaire dv van orde 2 met constante coefficienten

Geleid herontdekken van de golffunctie

Hoofdstuk 10: Partiële differentiaalvergelijkingen en Fourierreeksen

Overzicht Fourier-theorie

Opgave 1 Vervormd vierkant kristal en elektronische structuur (totaal 24 punten)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde

Krommen in de ruimte

Bekijk nog een keer het stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden x en y: { De tweede vergelijking van de eerste aftrekken geeft:

Tentamen TCl l8 januari 2008' 9-12uur, zaal Cl (Gorlaeus).

TENTAMEN. Van Quantum tot Materie

Opgave 3 - Uitwerking

3. Bepaal de convergentie-eigenschappen (absoluut convergent, voorwaardelijk convergent, divergent) van de volgende reeksen: n=1. ( 1) n (n + 1)x 2n.

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Hertentamen 23 december 2014

Hoofdstuk 9: Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen en stabiliteit

Tentamen Quantum Mechanica 2

. Maak zelf een ruwe schets van f met A = 2, ω = 6π en ϕ = π 6. De som van twee trigonometrische polynomen is weer een trigonometrisch polynoom

-- III De variatiemethode berust voor de grondtoestand op het volgende theorema:

maplev 2010/7/12 14:02 page 157 #159 Taylor-ontwikkelingen

Tentamen Inleiding Quantumchemie (MST1171)

Gaap, ja, nog een keer. In één variabele hebben we deze formule nu al een paar keer gezien:

Hoofdstuk 1: Inleiding

Inhoud college Quantumfysica I

-- I HOOFDSTUK I INLEIDING TOT ENKELE QUANTUMMECHANISCHE BEGRIPPEN

1 Eigenwaarden en eigenvectoren

Aanvullingen van de Wiskunde / Partiële Differentiaalvergelijkingen

Tentamen Functies en Reeksen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 januari 2006 van 14:00 17:00 uur

Opgave 1 - Uitwerking

Inhoudsopgave. 0.1 Netwerkmodel voor passieve geleiding langs een zenuwcel.. 2

Quantummechanica. P.J. Mulders

Tentamen Quantum Mechanica 2

Uitwerkingen toets emv

Voorblad bij tentamen

-- IX (q)e - ie 2 t/h

Uitwerkingen Tentamen Optica

Overgangsverschijnselen

Lineaire Afbeelding Stelsels differentiaalvergelijkingen. 6 juni 2006

Eindtoets: Numerieke Analyse van Continua

Een model voor een lift

Verbanden en functies

Tussentoets Analyse 1

Aanvullingen van de Wiskunde

UITWERKINGEN 1 2 C : 2 =

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Tentamen 4 november 2013

1 WAAM - Differentiaalvergelijkingen

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

n 2 + 3n + 6 4n 3 3 n + 8n n + 3n + 16 n=1 Indien convergent, bepaal dan ook de waarde van de reeks.

Klassieke Mechanica a (Tentamen 11 mei 2012) Uitwerkingen

Buiging van een belaste balk

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Tentamen 3 november 2014

Tentamen numerieke analyse van continua I

Donkere Atomen in het Licht

8. Differentiaal- en integraalrekening

Uitwerkingen Mei Eindexamen VWO Wiskunde B. Nederlands Mathematisch Instituut Voor Onderwijs en Onderzoek

Langere vraag over de theorie

wordt de stelling van Pythagoras toegepast, in dit geval twee keer: eerst in de x y-vlakte en vervolgens in de vlakte loodrecht op de vector y.

Tentamen Lineaire Algebra B

HERTENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

P is nu het punt waarvan de x-coördinaat gelijk is aan die van het punt X en waarvan de y-coördinaat gelijk is aan AB (inclusief het teken).

Het drie-reservoirs probleem

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

Stelsels differentiaalvergelijkingen

FLIPIT 5. (a i,j + a j,i )d i d j = d j + 0 = e d. i<j

Notities College Gecondensegerde Materie Elektronen in kristallen III: Energie-banden en gaps

Studiewijzer Calculus 2 voor Bouwkunde (2DB90), cursus 2011/2012

1 OPGAVE. 1. Stel dat we kansdichtheid ρ van het Klein-Gordon veld φ zouden definieren op de Schödingermanier

OF (vermits y = dy. dx ) P (x, y) dy + Q(x, y) dx = 0

Eindexamen vwo natuurkunde I

Tentamen Golven en Optica

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen OGO Fysisch Experimenteren voor minor AP (3MN10) en Tentamen Inleiding Experimentele Fysica (3NA10)

Wiskunde Vraag 1. Vraag 2. Vraag 3. Vraag 4 21/12/2008

Je mag Zorich deel I en II gebruiken, maar geen ander hulpmiddelen (zoals andere boeken, aantekeningen, rekenmachine etc.)!

Module 5 Uitwerkingen van de opdrachten

Quantum Chemie II 2e/3e jaar

Mathematical Modelling

Eindexamen wiskunde B1-2 vwo 2006-II

ax + 2 dx con- vergent? n ln(n) ln(ln(n)), n=3 (d) y(x) = e 1 2 x2 e 1 2 t2 +t dt + 2

Het oplossen van vergelijkingen Voor het benaderen van oplossingen van vergelijkingen van de vorm F(x)=0 bespreken we een aantal methoden:

5.8. De Bessel differentiaalvergelijking. Een differentiaalvergelijking van de vorm

Notatie Voor een functie y = y(t) schrijven we. Definitie Een differentiaalvergelijking is een vergelijking van de vorm

Dune Ash een wiskundig model voor de verspreiding van een vulkanische aswolk werkbundel

7 College 01/12: Electrische velden, Wet van Gauss

1 Het principe van d Alembert

Tentamen numerieke analyse van continua I

Polynomen. + 5x + 5 \ 3 x 1 = S(x) 2x x. 3x x 3x 2 + 2

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 21 januari 2005 van 14:00 17:00 uur

Beste leerling, Om een zo duidelijk mogelijk verslag te maken, hebben we de vragen onderverdeeld in 4 categorieën.

H. 8 Kwadratische vergelijking / kwadratische functie

Transcriptie:

Quantum Tunneling Rob Hesselink Maart 08 Inhoudsopgave Introductie De Schrödingervergelijking 3 Eigentoestanden van de barrière 3 4 Methode: Ψx, t 4 5 Resonantie 5 6 Appendix 6 Figuur : Een -dimensionale potentiaalbarrière uit Quantum Mechanics door E. Merzbacher[].

Introductie In deze opgave gaan we kijken naar quantum tunneling. Quantum tunneling is nodig voor de beschrijving van scanning-tunneling microscopie, energieproductie in de zon en het wissen van flashgeheugen. In deze opgave modelleren we een -dimensionaal tunnelingprobleem. Een Gaussisch golfpakket nadert een rechthoekige potentiaal beschreven door: 0 als x < a Regio I V x = V 0 als a x a Regio II 0 als x > a Regio III Zodra het golfpakket tegen de barrière botst op x = a, zal een deel gereflecteerd worden en een deel door de potentiaal tunnelen. Het deel dat zich door de barrière beweegt zal op x = a wederom in twee delen splitsen. Dit herhaalt zich totdat de golffunctie in de potentiaal verwaarloosbaar klein wordt. Door het berekenen van de oppervlakte onder de functie links en rechts van de potentiaal, kunnen de transmissie- en reflectiecoëfficiënten T en R gevonden worden. Deze opgave bevat twee doelstellingen:. Het berekenen van T en R.. Het beschrijven van resonante toestanden in de potentiaalbarrière. De Schrödingervergelijking We beginnen de analyse van dit probleem met het oplossen van de Schrödingervergelijking, om zowel de vorm van de eigentoestanden en hun tijdsverloop te bepalen. Allereerst nemen we aan dat de golffuncties separabel zijn, zodat geldt: Ψx, t = Ψxft Als we dit invullen in de tijdsafhankelijke Schrödingervergelijking geeft dit: h m x + V x Ψx = EΨx i h ft = Eft 3 t Hierbij is de constante E de energie van de eigentoestanden. De oplossing van het tijdsafhankelijk deel is snel gevonden en luidt:

ft = e iet/ h 4 De oplossingen van het plaatsafhankelijke deel vereisen echter wat meer werk. 3 Eigentoestanden van de barrière Voor het plaatsafhankelijke deel in de buurt van de barrière doen we de volgende aanname: Ae ikx + Be ikx als x < a Ψ b x = Ce ikx + De ikx als x < a F e ikx + Ge ikx als x > a Het is nu mogelijk om de coëfficiënten k en k te bepalen door de aanname in te vullen in de plaatsafhankelijke Schrödingervergelijking. Hieruit volgt dat: me k = h mv0 E k =. h In deze opgave beginnen we met een golf die van links de barrière nadert. Dit betekent dat we mogen stellen dat G = 0. Het is echter wel belangrijk dat de functies en hun afgeleiden op de randen van de barrière continu zijn. Hieruit volgen vier vergelijkingen en na het stellen A = blijven er vier onbekenden over. Het blijkt mogelijk om de coëfficiënten uit te drukken in F. Dit geeft de volgende relaties: e ika F = cosk a iη sink a 5 C = F k + k k e ik ka 6 D = F k k k e ik+ka 7 B = F i k k k k sink a 8 met η k k + k k. De bijbehorende berekening is te vinden in appendix. 3

4 Methode: Ψx, t Om deze opgave numeriek op te lossen, dienen we een aantal variabelen te discretiseren. Het gaat hierbij om tijd, ruimte en golfgetal. De toegestane waarden kunnen vervolgens worden opgeslagen in lijsten of arrays. Het is hierbij belangrijk om te zorgen dat er geen aliasing ontstaat. Maak dus een goede keuze voor de grootte van k en x en gebruik arrays met genoeg waarden! Zoals gezegd beginnen we op t = 0 met een Gaussisch golfpakket met breedte x en impuls p 0 = hk Ψ 0 x = Ne x x 0 x e ikx0 Zodra we dit golfpakket in de buurt brengen van de barrière, verandert hij. Om uit te vinden hoe, dienen we het golfpakket te projecteren op de eigentoestanden van de barrière. [ ] Ψ b0 = Ψ b Ψ 0 Ψ b = Ψ 0Ψ b dx Ψ b = ak Ψ b Een goed gekozen golfpakket is volledig links van de barrière gelokaliseerd. Dit betekent dat de integraal in vergelijking 9 alleen in regio I niet gelijk is aan nul. Verder gebruiken de eigenschap dat het inproduct tussen orthogonale fouriercomponenten verdwijnt. Dit geeft de uitdrukking voor ak: ak = = [ e ik x + Be ikx] Ψ0 xdx 9 Ψ 0 xe ikx dx 0 = Ψk Het blijkt dat ak niets meer of minder is dan de Fouriergetransformeerde van Ψ 0. Een analytische uitdrukking hiervoor is beschikbaar en luidt: Ψk = N e x k k e ik kx0 We hebben nu een goede functie op t=0. Aangezien Ψ b0 een energie-eigenfunctie is, zal het tijdsverloop gaan zoals beschreven in vergelijking 4. Dit betekent dat voor Ψx, t geldt dat: 4

Ψx, t = e iet/ h Ψ b0 dk = akψ b xe iet/ h dk 3 Let op: in vergelijking 3 zijn ak, E en Ψ b allen afhankelijk van k! Zorg dat je alles omschrijft naar k. Hoofdopdracht: implementeer vergelijking 3 in Python en maak een grafische weergave van het tijdsverloop van het golfpakket. 5 Resonantie Als de halve golflengte van het golfpakket precies n keer in de potentiaalberg past, treedt er resonantie op in het systeem. Dit betekent dat er een rëeele kans is dat het deeltje zich in de potentiaalbarrière bevindt. Bonusopdracht: vind de theoretische waarden van V 0 waarvoor er resonantie optreedt en controleer of dit overeenkomt met de simulatie. Figuur : Een resonante toestand in de potentiaalbarrière. Referenties [] Eugen Merzbacher. Quantum mechanics. 970. John Wiler & Sons, New York Zbl00, 4704, 977. 5

6 Appendix Voor het berekenen van de coëfficiënten op de randen van de barrière hebben we vier vergelijkingen: Ψ I a = Ψ II a Ψ I x = Ψ II x= a x x= a Ψ II a = Ψ III a 3 Ψ II x = Ψ III x=a x 4 x=a Deze vergelijkingen invullen met de aanname in vergelijking 3 geeft: e ika + Be ika = Ce ika + De ika [ k e ik a Be ika] [ = k Ce ik a De ika] Ce ika + De ika = F e ika [ k Ce ik a De ika] = k F e ika a b c d Allereerst drukken we C en D uit in F. Hiervoor gebruiken we vergelijkingen c en d d Ce ika De ika = k F e ika k c + e Ce ika = + k F e ika k c - e De ika = k F e ika k e f g Dit gaan we nu gebruiken om een uitdrukking voor F te vinden. schrijven we b om: Allereerst e ika Be ika = k k [ Ce ik a De ika] h Nu schrijven we C vrij: 6

a + h e ika = + k Ce ika + k De ika k k C = [ e ika k ] De ika e ika + k k k i invullen in f: + k + k k k F e ika = + k k F e ika 4 + k + k k + k k [ e ika k ] De ika k k k e ika e ika = D e ika e ika k + k k F e ika e 3ika + 4 e ika e ika = D k k + k k g k F e ika e ika = D k i j k Nu zijn we zover dat we F kunnen uitrekenen. j k F = F = = k k + k e ika k + k + k k 4e ika k k k k e ika + 4e ika k k k k + e ika + Als we stellen dat η k k + k k, dan krijgen we: k + k k + k k k e 3ika + k k + k k + k e ika = 4 e ika e ika k k e ika F = 4e ika ηe ika + + ηe ika e ika = cosk a iη sink a Hoezee! Nu we de eerste coëfficiënt hebben gevonden, kunnen we de eerder gevonden relaties gebruiken om C, D en B uit te drukken in termen van F. 7

Nu rest ons alleen nog coëfficiënt B. f C = F k + k e ik ka k g D = F k k e ik+ka k a h Be ika = k Ce ika + + k De ika k k Als we hierin de eerder gevonden waarden voor C en D invullen, geeft dit: B = [ ] 4 F k k k + k e ika k k k + k + e ika k k k k = [ k 4 F k e ika k k ] e ika k k k k = F i k k k k sink a Mijn dank voor uw aandacht. 8