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梁昊 | 4.3 共振態(tài)與Balslev-Combes定理

 Naz摘星星 2022-04-24

作者介紹:
北京大學 原子分子物理博士





目錄


4.1 拉伸變換
4.2 復旋轉(zhuǎn)與單粒子能譜
4.3 共振態(tài)與Balslev-Combes定理
 
注:這一系列文章將介紹經(jīng)典量子系統(tǒng),仍在持續(xù)更新中。
今日更新第三部分共振態(tài)與Balslev-Combes定理。





正文



03

共振態(tài)與Balslev-Combes定理




我們轉(zhuǎn)過頭來談一點物理。我們知道,電磁真空中,一個原子系統(tǒng),除去基態(tài)外,其余本征態(tài)都是不穩(wěn)定的——與外電磁場基模的耦合會使得其自發(fā)地向下躍遷最終到達基態(tài),從而擁有一個有限的壽命 T(將原子放在微腔內(nèi)可以極大的改變這種耦合,從而表現(xiàn)出其他的行為,但這就是另一個故事了),我們常常會給本征能量加上一個虛部 -i/2T 來唯象的描述這個壽命。如果不計這個耦合,我們會發(fā)現(xiàn)仍然有一些本征態(tài)是天生不穩(wěn)定的——隨著時間推移,它會自發(fā)變成一個自由電子和一個離子實!下面我們簡單解釋一下這個情況是怎么發(fā)生的。

考慮氦原子,這是一個雙電子體系,暫不考慮自旋以及交換對稱性,哈密頓量寫成

當我們?nèi)?/span>的時候自然不會出現(xiàn)問題,但引入非零的之后,這兩個態(tài)之間的躍遷矩陣元不為零,需要用簡并微擾論來處理這兩個能級的移動。但有趣的是,我們需要注意到這個連續(xù)態(tài)的解一定是嚴格的:當一個電子在無窮遠處時,是否考慮兩電子間的相互作用完全不會影響;而束縛態(tài)即便是因為電子排斥作用的影響發(fā)生了能級移動,仍然存在另一個連續(xù)態(tài)能量與其相同——共振始終存在。
束縛態(tài)與連續(xù)態(tài)之間的共振是一個很有趣的話題,依具體情形分別有Fano共振、Feshbach共振等等之名。現(xiàn)在大家普遍認為,【考慮到粒子總是向往著更大的自由空間】,類似于 |2S,2S>這樣的態(tài)是一個暫穩(wěn)態(tài),會自發(fā)地躍遷到 |1S,k>上去,這個過程被稱為自解離(autoionization),而這個態(tài)的本征能量可以用一個復數(shù)描述。
事實上,這個暫穩(wěn)態(tài)本質(zhì)上和光場導致的暫穩(wěn)態(tài)是一致的,都冠以V. WEISKOPF & E. P. WIGNER之名。此外,在考慮彈性散射問題時,如果入射粒子能量可以與這個暫穩(wěn)態(tài)發(fā)生共振的話,散射截面也會出現(xiàn)相應的峰或谷。

現(xiàn)在問題來了,怎么從薛定諤方程中求解出這樣一個暫穩(wěn)態(tài)呢?一個厄米的哈密頓算符是怎么求解出一個復本征值的呢?這就引出了我們要談論的,一般形式的Balslev-Combes定理。
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對于一個非相對論多體系統(tǒng),若其相互作用均為兩體相互作用,并且“充分”解析,那么復拉伸變換后哈密頓量

的能譜中包括如下成分:
a. H 的離散譜
b. H 嵌入在連續(xù)譜中的離散本征值
c. H 的閾值(即一個粒子處在零能連續(xù)態(tài)時的本征值)以及以其為原點,轉(zhuǎn)動的連續(xù)譜
d. H 和 連續(xù)譜之間的角度區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的共振態(tài)
e. 以此類共振態(tài)為原點的連續(xù)譜

從中我們可以注意到如下幾點:
1. 離散譜不隨復轉(zhuǎn)動變化,而連續(xù)譜會變,所以嵌入在連續(xù)譜中的離散譜自然被分離出來了
2. 隨著轉(zhuǎn)動角的變化,連續(xù)譜掃過的區(qū)域中會“冒”出復的離散本征值。有能量、有壽命,可以自然地表示那些會自解離的共振態(tài)
3. 這些共振態(tài)也可以作為連續(xù)譜的端點:試考慮一個鋰原子,一個電子被電離出去,而剩下兩個電子形成了一個共振態(tài)。

這里圍道 C 應包含 H 的整個譜帶,如下圖所示




參考


對該問題的細節(jié)感興趣的大佬們可以參考如下幾篇文章:
- Balslev, E., and Combes, J.M. (1971). Spectral properties of many-body Schr?dinger operators with dilatation-analytic interactions. Commun.Math. Phys. 22, 280–294.
- Simon, B. (1973). Resonances in n-Body Quantum Systems With Dilatation Analytic Potentials and the Foundations of Time-Dependent Perturbation Theory. Annals of Mathematics 97, 247–274.
- Reinhardt, W.P. (1982). Complex Coordinates in the Theory of Atomic and Molecular Structure and Dynamics. Annual Review of Physical Chemistry 33, 223–255.

值得注意的是,也有人將這個技術(shù)應用到那些在無窮遠處不趨于零的勢場上,例如靜電場中的隧穿電離問題等。

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