Grupo5 - Eq. Schroedinger

De Física Computacional
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A evolução temporal do estado quântico Ψ(𝐫,t) é dada pela equação de Schrödinger, a qual é postulada como [citação do Cohen, descobrir como fazer a citação]:

itΨ(𝐫,t)=[22m2+V(𝐫,t)]Ψ(𝐫,t)

Posto em unidades atômicas (onde me e são unitários), o caso unidimensional de um elétron num potencial independente do tempo reduz-se a:

tΨ(x,t)=[i22x2iV(x)]Ψ(x,t)


Método numérico

Buscando resolver a equação numericamente, tem-se a discretização de 2Ψx2:

Ψj1n2Ψjn+Ψj+1n(Δx)2

e as discretizações de Ψt (explícita e implícita, respectivamente):

Ψjn+1ΨjnΔt,ΨjnΨjn1Δt

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 \cite{enswork}.

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:

aΨj1n+1+bjΨjn+1+aΨj+1n+1=a*Ψj1n+bj*Ψjn+a*Ψj+1n, onde

aiΔt4(Δx)2 e bj1+iΔt2[1(Δx)2+V(jΔx)].

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 Ψ0n=Ψjmaxn para todo n (ou, para as bordas a e b há a relação Ψ(a,t)=Ψ(b,t) para todo t).

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.