Equação de Dirac: mudanças entre as edições

De Física Computacional
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→Forma explícita final: sistema simplificado
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\left(i \frac{\partial}{\partial t} - V - V_{sc} - 1\right) \Phi_1 + \left(i \frac{\partial}{\partial x} + \frac{\partial}{\partial y}\right) \Phi_4 = 0 \\
\left(i \dfrac{\partial}{\partial t} - V - V_{sc} - 1\right) \Phi_1 + \left(i \dfrac{\partial}{\partial x} + \dfrac{\partial}{\partial y}\right) \Phi_4 = 0 \\
\left(i \frac{\partial}{\partial x} - \frac{\partial}{\partial y}\right) \Phi_1 + \left(i \frac{\partial}{\partial t} - V + V_{sc} + 1\right) \Phi_4 = 0
\left(i \dfrac{\partial}{\partial x} - \dfrac{\partial}{\partial y}\right) \Phi_1 + \left(i \dfrac{\partial}{\partial t} - V + V_{sc} + 1\right) \Phi_4 = 0
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\frac{\partial \Phi_1}{\partial t} = -i(V + V_{sc} + 1\right) \Phi_1 -\frac{\partial \Phi_4}{\partial x} + i\frac{\partial \Phi_4}{\partial y} \\
\dfrac{\partial \Phi_1}{\partial t} = -i(V + V_{sc} + 1) \Phi_1 -\dfrac{\partial \Phi_4}{\partial x} + i\dfrac{\partial \Phi_4}{\partial y} \\
\frac{\partial \Phi_4}{\partial t} = -i(V - V_{sc} - 1\right) \Phi_1 -\frac{\partial \Phi_1}{\partial x} - i\frac{\partial \Phi_1}{\partial y}
\dfrac{\partial \Phi_4}{\partial t} = -i(V - V_{sc} - 1) \Phi_4 -\dfrac{\partial \Phi_1}{\partial x} - i\dfrac{\partial \Phi_1}{\partial y}
\end{cases}
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Edição das 17h18min de 28 de abril de 2024

Grupo: André Luis Della Valentina, Lucas dos Santos Assmann, Vinícius Bayne Müller

Introdução

A equação de Dirac descreve uma partícula relativística de spin 12, como o elétron, com estrutura análoga a da equação de Schrödinger. Ela surgiu inicialmente como tentativa de explicar discrepâncias entre experimentos e teoria para o espectro do átomo de hidrogênio, possibilitando correções para o cálculo da energia do elétron em diferentes níveis (as chamadas correções de estrutura fina). Além disso, por meio dela foi possível prever a existência de antimatéria: descrevendo o elétron, ela também descreve o pósitron.

A fim de compatibilizar a Mecânica Quântica com a Relatividade Especial, a equação diferencial parcial é de primeira ordem tanto no tempo quanto no espaço (diferentemente da equação de Schrödinger, que é de segunda ordem no espaço). A equação de Dirac pode ser escrita de diversas formas; aqui, apresentamo-la explicitamente como um sistema de EDPs acopladas, mais conveniente para os propósitos do trabalho.

Assim como a equação de Schrödinger, a construção da equação de Dirac vem a partir do operador Hamiltoniano, que descreve a evolução temporal do estado quântico em questão:

iℏ∂∂tΨ(x,t)=HΨ(x,t)

onde, como anteriormente, os autovalores de H correspondem aos valores possíveis de energia que o sistema pode assumir.

A mudança com relação à Mecânica Quântica não relativística acontece quando consideramos a energia relativística da partícula:

E2=p2c2+m2c4

Assim, o Hamiltoniano é modificado para representar a medida da energia relativística total.

Diferentemente da equação de Schrödinger, aqui Ψ(x,t) não representa apenas uma função de onda, mas sim um conjunto de quatro delas. Usando a notação

Ψ=[Φ1Φ2Φ3Φ4],

as componentes de Ψ representam as funções de onda associadas ao elétron e ao pósitron: Φ1 (Φ2) representa a função de onda do elétron com spin up (down), e Φ3 (Φ4) representa a função de onda do pósitron com spin up (down). O objeto Ψ(x,t) é chamado de spinor.

Dedução da equação de Dirac em duas dimensões

Consideraremos neste trabalho a equação de Dirac em duas dimensões, x e y. A escolha dessas coordenadas se dá pela conveniência do acoplamento das EDPs: nesse caso, as quatro equações acopladas passam a ser acopladas duas a duas, facilitando o estudo do sistema.

Construção do Hamiltoniano completo

Consideremos uma partícula sob ação de um potencial V(x;t) (onde x=(x,y,z)T), que afeta a energia potencial da partícula, e de um potencial "escalar" Vsc(x;t), que afeta a massa de repouso da mesma. Seguindo uma das propostas possíveis para o Hamiltoniano, temos

H=cα⋅p+β(mc2+Vsc)+VI4

onde α=αxi^+αyj^+αzk^; αi e β são matrizes 4x4 adimensionais e p é o vetor momento linear da partícula.

Pode-se mostrar que α e β devem satisfazer certos vínculos, limitando as escolhas possíveis para essas matrizes. A escolha mais simples e usualmente adotada consiste em tomar

β=(I200−I2)=(1000010000−10000−1)

αx=(0σxσx0)=(0001001001001000)

αy=(0σyσy0)=(000−i00i00−i00i000)

αz=(0σzσz0)=(0010000−110000−100)

Sendo p=−iℏ∇, podemos escrever o produto escalar α⋅p como

α⋅p=−iℏ(αx∂∂x+αy∂∂y+αz∂∂z)

Portanto, em notação matricial o Hamiltoniano H pode ser escrito como

H=−iℏc(00∂∂z∂∂x−i∂∂y00∂∂x+i∂∂y−∂∂z∂∂z∂∂x−i∂∂y00∂∂x+i∂∂y−∂∂z00)+(V+mc2+Vsc0000V+mc2+Vsc0000V−mc2−Vsc0000V−mc2−Vsc) H=(V+mc2+Vsc0−iℏc∂∂z−iℏc∂∂x−ℏc∂∂y0V+mc2+Vsc−iℏc∂∂x+ℏc∂∂yiℏc∂∂z−iℏc∂∂z−iℏc∂∂x−ℏc∂∂yV−mc2−Vsc0−iℏc∂∂x+ℏc∂∂yiℏc∂∂z0V−mc2−Vsc)

Unidades naturais e redução para duas dimensões

A fim de simplificar o formalismo, adotamos as chamadas "unidades naturais", onde ℏ=c=m=1. Note que isso equivale a reescalar as quantidades físicas do problema por um fator adequado. Ao fazer c=1, também assumimos que a partícula está no limite relativístico.

Além disso, queremos estudar o problema em duas dimensões. Observamos que Ψ(x,y,z)=Ψ(x,y); logo, ∂Ψ∂z=0. Portanto, temos o Hamiltoniano simplificado

H=(V+1+Vsc00−i∂∂x−∂∂y0V+1+Vsc−i∂∂x+∂∂y00−i∂∂x−∂∂yV−1−Vsc0−i∂∂x+∂∂y00V−1−Vsc)

Forma explícita final

Retornando ao problema original, queremos resolver

iℏ∂∂tΨ=HΨ→[iI4∂∂t−H]Ψ=0

Novamente utilizando a notação matricial, obtemos

(i∂∂t−V−Vsc−100i∂∂x+∂∂y0i∂∂t−V−Vsc−1i∂∂x−∂∂y00i∂∂x+∂∂yi∂∂t−V+Vsc+10i∂∂x−∂∂y00i∂∂t−V+Vsc+1)(Φ1Φ2Φ3Φ4)=0

Realizando a multiplicação matricial, pode-se ver que se obtém dois sistemas acoplados: Φ1 com Φ4 e Φ2 com Φ3. Escolhendo o sistema de Φ1 com Φ4:


{(i∂∂t−V−Vsc−1)Φ1+(i∂∂x+∂∂y)Φ4=0(i∂∂x−∂∂y)Φ1+(i∂∂t−V+Vsc+1)Φ4=0

Simplificando e isolando a derivada temporal, obtemos por fim

{∂Φ1∂t=−i(V+Vsc+1)Φ1−∂Φ4∂x+i∂Φ4∂y∂Φ4∂t=−i(V−Vsc−1)Φ4−∂Φ1∂x−i∂Φ1∂y

Discretização

Referências

  1. The quantum theory of the electron. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, v. 117, n. 778, p. 610–624, fev. 1928.
  2. SAKURAI, J. J. Mecânica quântica moderna. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012.
  3. BAO, W. et al. Numerical Methods and Comparison for the Dirac Equation in the Nonrelativistic Limit Regime. Journal of Scientific Computing, v. 71, n. 3, p. 1094–1134, jun. 2017.