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European Journal of Physics

Solution of spherically symmetric quantum models by the transfer-matrix method

Nuno M. R. Peres, Luís D. Carlos

Published Sep 1, 1997• 0 citations
Publisher

Abstract

In this paper we show that the eigenfunctions and eigenvalues of quantum three-dimensional spherical symmetric models can be obtained numerically using the path-integral formalism and the transfer-matrix technique. We illustrate this formalism with the quantum spherical harmonic potential and we discuss its advantages over the path-integral Monte Carlo method. The application of our results to other simple systems of physical interest is also discussed. Resumo. Usando o formalismo do integral de caminho e a tecnica da matriz de transferencia geram-se numericamente as funcoes de onda e os valores proprios de sistemas quânticos com simetria esferica. Este formalismo e aplicado ao potencial harmonico esferico. Discute-se, tambem, as vantagens desta formulacao em relacao ao calculo de probabilidades radiais determinadas pelo metodo de Monte Carlo, bem como a sua aplicacao a sistemas simples com interesse fisico.

DOI
10.1088/0143-0807/18/5/010

Related papers

Spherically Symmetric Potentials

Owen L. de Lange, R. E. Raab

Abstract A number of quantum-mechanical problems involve a potential that is spherically symmetric, at least to a first approximation. For such potentials one can consider a ‘onedimensional’ problem, namely the eigenvalue equation for the radial Hamiltonian (see (5.26)), and in this chapter we use operator methods to treat certain important cases for which exact solutions are possible.

•Nov 28, 1991•2 citations

Formulação da mecânica quântica por integrais de caminho de Feynman

Marcos Aurélio Leandro da Costa

A formulacao da mecânica quântica por integrais de caminho de Feynman surge como uma terceira representacao da teoria quântica, analoga as outras duas representacoes, de Schrodinger e de Heisenberg, de forma que sao matematicamente equivalentes. Entretanto, na representacao de Feynman o formalismo hamiltoniano e substituido pelo formalismo lagrangiano como ferramenta matematica utilizada na construcao da teoria quântica. Na integracao funcional da mecânica quântica, os operadores deixam de ser os principais objetos de estudo, tal como sao nas outras duas representacoes, dando lugar aos propagadores, que tem uma relacao intrinseca com o operador de evolucao temporal, sendo responsavel direto pela evolucao do estado quântico. Este estudo inicia-se com uma analise matematica do formalismo lagrangiano, fundamental para o desenvolvimento da teoria quântica por integrais de caminho de Feynman. Segue-se com a introducao do propagador quântico a partir da definicao do operador de evolucao temporal para uma hamiltoniana independente do tempo (sistema autonomo isolado). A partir desses conceitos, introduz-se a ideia da integral de caminho, onde agora tem-se que todos os caminhos sao possiveis, ao contrario da acao classica na qual o unico caminho possivel seria aquele em que a acao e um minimo. O estudo continua com a integral de trajetoria e sua analogia com a integral de Riemann. Em seguida, investiga-se as regras para dois eventos sucessivos, e tambem, as regras para varios eventos sucessivos. Por um, utiliza-se os conhecimentos obtidos da Integral de Caminho de Feynman para resolver o Oscilador Harmonico Simples e o Oscilador Harmonico Forcado, calculando-se suas autofuncoes e autovalores atraves do propagador quântico, obtendo-se resultados semelhantes aos encontrados por Schrodinger e Heisenberg, comprovando-se a equivalencia dessa representacao com as outras duas representacoes da mecânica quântica.

•Jan 1, 2014•0 citations

Métodos estatísticos aplicados à informação quântica

R. F. Abreu, H. L. F. SANTOS, Luiz Otávio Pereira Carvalho

A computacao quântica e informacao quântica surgiram no inicio de 1980 e evoluiram rapidamente como uma area de pesquisa basica em fisica e como uma alternativa promissora para a tecnologia da informacao. A natureza quântica de certos sistemas se manifesta na forma probabilistica com que tais sistemas se comportam. Apresentamos os resultados parciais de dois projetos de iniciacao cientifica desenvolvidos no UniFOA. Os resultados do trabalho foram obtidos por simulacao computacional. Geramos ensembles de estados quânticos aleatorios e a evolucao desses estados quando sujeitos a determinadas dinâmicas foi abordada com base em metodos probabilisticos, principalmente funcoes de distribuicoes de probabilidade. A descricao dos ensembles inclui resultados de calculos de propriedades de interesse para informacao quântica, como determinadas entropias, atraves do calculo de integrais utilizando metodo Monte Carlo. Um dos metodos estatisticos mais utilizados em fisica. Construimos rotinas e programas (Fortran e Octave) implementando os metodos estatisticos com a perspectiva de que possam ser aplicados nao apenas a informacao quântica mas tambem a engenharia.

Cadernos UniFOA•Oct 30, 2012•0 citations

Exact Solution of Spherical Harmonic Potential Coupled with E and M fields

T. J. Taiwo

Using the technique of tridiagonal representation approach; for the first time, we extend this method to study quantum systems with literally perturbed Hamiltonians. Specifically, we consider a quantum system in a 3D spherical oscillator symmetric potential function coupled with an electric and a magnetic field. We obtain the energy spectrum and wavefunction in the two cases.

arXiv:2212.04602•Dec 8, 2022•0 citations

O modelo de Ising na cadeia linear com interações competitivas de longo alcance.

Carvalho Neto, Edgar Marcelino de

Este trabalho emprega um método de matriz de transferência para estudar a cadeia linear de Ising com interações de longo alcance, podendo estas interações serem do tipo ferromagnéticas ou antiferromagnéticas; o tipo de interação varia periodicamente de acordo com a distância e sua intensidade com a distância como uma lei de potência. Deste modo foi possível obter propriedades termodinâmicas do sistema como a energia livre, a entropia e o calor específico. Alguns resultados interessantes foram obtidos com o cálculo destas propriedades como a ocorrência de entropia residual. Contudo o objeto de investigação principal desta dissertação é a validade de uma conjectura proposta por Tsallis que estabelece que sistemas com interações de longo alcance, como os deste trabalho, obedecem a um escalamento proposto por ele, a ser explicado ao longo deste trabalho. Estes tipos de sistema geralmente não obedecem ao escalamento usual, para todo valor do expoente de decaimento das interações, ocasionando divergências nas funções termodinâmicas intensivas usuais.Também se iniciou um estudo da transição de fase para uma das cadeias apresentadas. Este estudo não é muito conclusivo, mas indica como se proceder em trabalhos futuros. Este estudo envolve análise da função de correlação, que é obtida com o método da matriz de transferência apresentado nesta dissertação. Foi obtida uma série de temperaturas críticas para cadeia finitas em uma das situações mostradas, e, com esses valores pode-se estimar a temperatura críitica da cadeia infinita com técnicas como a dos aproximantes do Padé.

•Jan 1, 2009•0 citations

Solving the Schrödinger Equation by the Transfer-Matrix Method

Juliana Almeida, Tatiana Miguel Rodrigues de Souza, Alexys Bruno‐Alfonso

The transfer-matrix method was proposed in the 1940s to solve linear ordinary differential equations.It is broadly studied due to its efficiency and simplicity for solving one-dimensional physical problems.In this work, the method is applied to solve the timeindependent Schrödinger equation, in order to improve both the formalism and the computational treatment.Closed-form solutions are derived for quantum wells and periodic potentials of arbitrary profiles.Numerical results are given for symmetric finite-barrier quantum wells and sinusoidal potentials.

Matemática Contemporânea•Jan 1, 2024•0 citations
In this paper we show that the eigenfunctions and eigenvalues of quantum three-dimensional spherical symmetric models can be obtained numerically using the path-integral formalism and the transfer-matrix technique. We illustrate this formalism with the quantum spherical harmonic potential and we discuss its advantages over the path-integral Monte Carlo method. The application of our results to other simple systems of physical interest is also discussed. Resumo. Usando o formalismo do integral de caminho e a tecnica da matriz de transferencia geram-se numericamente as funcoes de onda e os valores proprios de sistemas quânticos com simetria esferica. Este formalismo e aplicado ao potencial harmonico esferico. Discute-se, tambem, as vantagens desta formulacao em relacao ao calculo de probabilidades radiais determinadas pelo metodo de Monte Carlo, bem como a sua aplicacao a sistemas simples com interesse fisico.
A formulacao da mecânica quântica por integrais de caminho de Feynman surge como uma terceira representacao da teoria quântica, analoga as outras duas representacoes, de Schrodinger e de Heisenberg, de forma que sao matematicamente equivalentes. Entretanto, na representacao de Feynman o formalismo hamiltoniano e substituido pelo formalismo lagrangiano como ferramenta matematica utilizada na construcao da teoria quântica. Na integracao funcional da mecânica quântica, os operadores deixam de ser os principais objetos de estudo, tal como sao nas outras duas representacoes, dando lugar aos propagadores, que tem uma relacao intrinseca com o operador de evolucao temporal, sendo responsavel direto pela evolucao do estado quântico. Este estudo inicia-se com uma analise matematica do formalismo lagrangiano, fundamental para o desenvolvimento da teoria quântica por integrais de caminho de Feynman. Segue-se com a introducao do propagador quântico a partir da definicao do operador de evolucao temporal para uma hamiltoniana independente do tempo (sistema autonomo isolado). A partir desses conceitos, introduz-se a ideia da integral de caminho, onde agora tem-se que todos os caminhos sao possiveis, ao contrario da acao classica na qual o unico caminho possivel seria aquele em que a acao e um minimo. O estudo continua com a integral de trajetoria e sua analogia com a integral de Riemann. Em seguida, investiga-se as regras para dois eventos sucessivos, e tambem, as regras para varios eventos sucessivos. Por um, utiliza-se os conhecimentos obtidos da Integral de Caminho de Feynman para resolver o Oscilador Harmonico Simples e o Oscilador Harmonico Forcado, calculando-se suas autofuncoes e autovalores atraves do propagador quântico, obtendo-se resultados semelhantes aos encontrados por Schrodinger e Heisenberg, comprovando-se a equivalencia dessa representacao com as outras duas representacoes da mecânica quântica.
A computacao quântica e informacao quântica surgiram no inicio de 1980 e evoluiram rapidamente como uma area de pesquisa basica em fisica e como uma alternativa promissora para a tecnologia da informacao. A natureza quântica de certos sistemas se manifesta na forma probabilistica com que tais sistemas se comportam. Apresentamos os resultados parciais de dois projetos de iniciacao cientifica desenvolvidos no UniFOA. Os resultados do trabalho foram obtidos por simulacao computacional. Geramos ensembles de estados quânticos aleatorios e a evolucao desses estados quando sujeitos a determinadas dinâmicas foi abordada com base em metodos probabilisticos, principalmente funcoes de distribuicoes de probabilidade. A descricao dos ensembles inclui resultados de calculos de propriedades de interesse para informacao quântica, como determinadas entropias, atraves do calculo de integrais utilizando metodo Monte Carlo. Um dos metodos estatisticos mais utilizados em fisica. Construimos rotinas e programas (Fortran e Octave) implementando os metodos estatisticos com a perspectiva de que possam ser aplicados nao apenas a informacao quântica mas tambem a engenharia.
Este trabalho emprega um método de matriz de transferência para estudar a cadeia linear de Ising com interações de longo alcance, podendo estas interações serem do tipo ferromagnéticas ou antiferromagnéticas; o tipo de interação varia periodicamente de acordo com a distância e sua intensidade com a distância como uma lei de potência. Deste modo foi possível obter propriedades termodinâmicas do sistema como a energia livre, a entropia e o calor específico. Alguns resultados interessantes foram obtidos com o cálculo destas propriedades como a ocorrência de entropia residual. Contudo o objeto de investigação principal desta dissertação é a validade de uma conjectura proposta por Tsallis que estabelece que sistemas com interações de longo alcance, como os deste trabalho, obedecem a um escalamento proposto por ele, a ser explicado ao longo deste trabalho. Estes tipos de sistema geralmente não obedecem ao escalamento usual, para todo valor do expoente de decaimento das interações, ocasionando divergências nas funções termodinâmicas intensivas usuais.Também se iniciou um estudo da transição de fase para uma das cadeias apresentadas. Este estudo não é muito conclusivo, mas indica como se proceder em trabalhos futuros. Este estudo envolve análise da função de correlação, que é obtida com o método da matriz de transferência apresentado nesta dissertação. Foi obtida uma série de temperaturas críticas para cadeia finitas em uma das situações mostradas, e, com esses valores pode-se estimar a temperatura críitica da cadeia infinita com técnicas como a dos aproximantes do Padé.
The transfer-matrix method was proposed in the 1940s to solve linear ordinary differential equations.It is broadly studied due to its efficiency and simplicity for solving one-dimensional physical problems.In this work, the method is applied to solve the timeindependent Schrödinger equation, in order to improve both the formalism and the computational treatment.Closed-form solutions are derived for quantum wells and periodic potentials of arbitrary profiles.Numerical results are given for symmetric finite-barrier quantum wells and sinusoidal potentials.