Grupo - Lennard Jones
A evolução temporal do estado quântico é dada pela equação de Schrödinger, a qual é postulada como:
Posto em unidades atômicas (onde e são unitários), o caso unidimensional de um elétron num potencial independente do tempo reduz-se a:
Método numérico
Buscando resolver a equação numericamente, tem-se a discretização de :
e as discretizações de (explícita e implícita, respectivamente):
(explícita)
(implícita)
Tanto no método explícito quanto no método implícito não é conservada a norma do estado (o que é estritamente necessário, já que o estado pode ser interpretado como uma onda de probabilidade). Por esse motivo, utiliza-se o método de Crank-Nicolson, o qual tem essa propriedade.
O método de Crank-Nicolson consiste em uma média aritmética dos métodos explícito e implícito. Excetuando manipulações algébricas triviais, verifica-se que a relação de recorrência do método é dada por:
onde
e .
A integração numérica depende, portanto, do potencial em que o elétron está sujeito, bem como da sua condição inicial e suas das condições de contorno.
Que condições podemos impor para a fronteira? Quando se trata do problema analiticamente, costuma-se considerar que a função de onda tende a zero no infinito. Numericamente, pode-se fazer uma transposição disso, criando uma condição para bordas em pontos suficientemente distantes do centro da distribuição da função de onda, igualando-as a zero. Outra forma de tratar o problema numericamente é criando condições de contorno periódicas, em que para as bordas vale para todo (ou, para as bordas e há a relação para todo ).
Condições de contorno iguais a zero
Para as condições de contorno , a iteração reduz-se à equação matricial:
Condições de contorno periódicas
De maneira semelhante, a iteração do caso das condições de contorno periódicas - - reduz-se à equação matricial:
Condição inicial
Já a condição inicial é arbitrária, pois define o estado inicial do sistema que queremos tratar. Fazendo uma referência ao tratamento de sistemas clássicos, seria como definir posição e momento iniciais. É claro que, para ter o sentido físico de uma função de onda, deve-se ter o cuidado de criar uma condição inicial normalizada, satisfazendo
bastando, então, inseri-la no programa.
Implementação em C
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <complex.h>
#define N_steps 100000
#define L 1000
#define dt 1
#define dx 4.0
#define w 0.002
double V(int x_rel)
{
return - pow(w,2) * pow(x_rel - 500,2) / 2.0; //SHO
//return 0;
}
double complex b(int i)
{
return 0.5 * dt * I * (1.0 / pow(dx,2.0) + V(i)) + 1.0;
}
double u_0(int x_rel)
{
//return sqrt(2 / L) * sin(5*x_rel * M_PI / L); //eigenstate of infinite square well
//return (1.0/ sqrt(5 * M_PI)) * exp(I * 0.5 * x_rel) * exp(-pow(x_rel - 500, 2) / (2 * 25)); //gaussian packet
return (w / M_PI) * exp(-w * pow(x_rel - 500, 2) / 2.0);
}
void CN(double complex *u, double complex *u_aux, double complex *u_next, double complex a, int bi)
{
//bi = 1 (bounded); bi = 0 (periodic)
int i;
for(i = bi; i <= L - bi; i++) u_aux[i] = conj(a) * (u[(i-1+L)%L] + u[(i+1+L)%L]) + conj(b(i)) * u[i];
//thomas algorithm
double complex c_new[L+1], d_new[L+1];
c_new[bi] = a / b(bi);
for(i = 1 + bi; i <= L - bi; i++) c_new[i] = a / (b(i) - c_new[i-1] * a);
d_new[bi] = u_aux[bi] / b(bi);
for(i = 1 + bi; i <= L - bi; i++) d_new[i] = (u_aux[i] - d_new[i-1] * a) / (b(i) - c_new[i-1] * a);
if (bi == 1) u_next[0] = u_next[L] = 0;
u_next[L-bi] = d_new[L-bi];
for(i = L-1-bi; i >= bi; i --) u_next[i] = d_new[i] - c_new[i] * u_next[i+1];
//u = u_next
for(i = 0; i <= L; i++) u[i] = u_next[i];
}
int main(void)
{
int i, j, n = 0;
double complex u[L+1], u_next[L+1], u_aux[L+1], a = - 0.25 * I * dt / pow(dx,2.0);
//Initial Contition
for(i = 0; i <= L; i ++) u[i] = u_0(i);
while(n < N_steps)
{
CN(u, u_aux, u_next, a, 0);
printf("set title 'Time = %d'\nplot \'-' w lp pt 7 ps 0.1", n);
for(i = 0; i <= L; i ++) printf("%d\t%.10lf\n",i,pow(creal(u[i]),2) + pow(cimag(u[i]),2));
//for(i = 0; i <= L; i ++) printf("%d\t%lf\n",i,cimag(u[i]));
//for(i = 0; i <= L; i ++) printf("%d\t%lf\n",i,creal(u[i]));
printf("e\npause 0.1\n");
n ++;
}
return 0;
}
Referências
- Cohen-Tannoudji C., Diu B., Laloe F. Quantum mechanics. Volume 1. Wiley, 1991.
- Numerical Resolution Of The Schrödinger Equation. Jorgensen L., Lopes Cardozo D., Thivierge E. http://web.pa.msu.edu/people/duxbury/courses/phy480/SchrodingerDynamics.pdf
- Crank, J.; Nicolson, P. (1947). "A practical method for numerical evaluation of solutions of partial differential equations of the heat conduction type". Proc. Camb. Phil. Soc. 43 (1): 50–67. doi:10.1007/BF02127704.
- Sherer, Philipp O.J., Computational Physics simulation of Classical and Quantum Systems. Springer, 2010.
- Born M., Nobel lecture: The statistical interpretation of quantum mechanics. 11 de Dezembro de 1954. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1954/born-lecture.pdf