Нелинейное уравнение Шредингера

редактировать
Абсолютное значение комплекса конверта точного анализа бризерные решения нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) ​​в безразмерной форме. (A) Передышка Ахмедиева; (B) сапсан для дыхания ; (C) бризер Кузнецова – Ма.

В теоретической физике (одномерное) нелинейное уравнение Шредингера (NLSE ) является нелинейная вариация уравнения Шредингера. Это классическое уравнение поля, основными приложениями которого являются распространение света в нелинейных оптических волокнах и планарных волноводах, а также конденсаты Бозе – Эйнштейна, заключенные в сильно анизотропные сигарообразные ловушки, в режим среднего поля. Кроме того, уравнение появляется в исследованиях гравитационных волн малой амплитуды на поверхности глубокой невязкой (нулевой вязкости) воды; волны Ленгмюра в горячей плазме; распространение плоско-дифрагированных волновых пучков в фокусирующих областях ионосферы; распространение солитонов альфа-спирали Давыдова, ответственных за перенос энергии по молекулярным цепочкам; и много других. В более общем смысле, NLSE появляется как одно из универсальных уравнений, которые описывают эволюцию медленно меняющихся пакетов квазимонохроматических волн в слабонелинейных средах с дисперсией . В отличие от линейного уравнения Шредингера, NLSE никогда не описывает временную эволюцию квантового состояния. 1D NLSE является примером интегрируемой модели.

В квантовой механике 1D NLSE является частным случаем классического нелинейного поля Шредингера, которое, в свою очередь, является классический предел квантового поля Шредингера. И наоборот, когда классическое поле Шредингера канонически квантовано, оно становится квантовой теорией поля (которая является линейной, несмотря на то, что она называется «квантовым нелинейным уравнением Шредингера»), которая описывает бозонные точечные частицы с дельта- функциональные взаимодействия - частицы либо отталкиваются, либо притягиваются, когда они находятся в одной точке. Фактически, когда число частиц конечно, эта квантовая теория поля эквивалентна модели Либа – Линигера. Как квантовые, так и классические одномерные нелинейные уравнения Шредингера интегрируемы. Особый интерес представляет предел бесконечной силы отталкивания, и в этом случае модель Либа-Линигера становится газом Тонкса-Жирардо (также называемым бозе-газом с твердым ядром или непроницаемым бозе-газом). В этом пределе бозоны могут, заменой переменных, которая является континуальным обобщением преобразования Жордана – Вигнера, могут быть преобразованы в систему одномерных невзаимодействующих бесспиновых фермионов.

Нелинейное уравнение Шредингера представляет собой упрощенную 1 + 1-мерную форму уравнения Гинзбурга – Ландау, введенного в 1950 году в их работе по сверхпроводимости, и было явно записано RY Chiao, E. Garmire и CH Townes ( 1964, уравнение (5)) при исследовании оптических лучей.

Многомерная версия заменяет вторую пространственную производную лапласианом. Уравнение не интегрируется более чем в одном измерении, оно допускает коллапс и волновую турбулентность.

Содержание
  • 1 Уравнение
    • 1.1 Классическое уравнение
    • 1.2 Квантовая механика
  • 2 Решение уравнения
  • 3 Галилеевская инвариантность
  • 4 Нелинейное уравнение Шредингера в волоконной оптике
  • 5 Нелинейное уравнение Шредингера в волнах на воде
  • 6 Эквивалент в калибровке
  • 7 Связь с вихрями
  • 8 См. Также
  • 9 Примечания
  • 10 Ссылки
    • 10.1 Примечания
    • 10.2 Другое
  • 11 Внешние ссылки
Уравнение

Нелинейное уравнение Шредингера - это нелинейное уравнение в частных производных, применимо к классической и квантовой механике.

Классическое уравнение

Классическое уравнение поля (в безразмерной форме):

Нелинейное уравнение Шредингера (Классическая теория поля)

i ∂ t ψ = - 1 2 ∂ x 2 ψ + κ | ψ | 2 ψ {\ displaystyle i \ partial _ {t} \ psi = - {1 \ over 2} \ partial _ {x} ^ {2} \ psi + \ kappa | \ psi | ^ {2} \ psi}i \ partial _ {t} \ psi = - {1 \ over 2} \ partial _ {x} ^ {2} \ psi + \ kappa | \ psi | ^ {2} \ psi

для комплексного поля ψ (x, t).

Это уравнение возникает из гамильтониана

H = ∫ d x [1 2 | ∂ x ψ | 2 + κ 2 | ψ | 4] {\ displaystyle H = \ int \ mathrm {d} x \ left [{1 \ over 2} | \ partial _ {x} \ psi | ^ {2} + {\ kappa \ over 2} | \ psi | ^ {4} \ right]}H = \ int {\ mathrm {d}} x \ left [{1 \ более 2} | \ partial _ {x} \ psi | ^ {2} + {\ kappa \ over 2} | \ psi | ^ {4} \ right]

со скобками Пуассона

{ψ (x), ψ (y)} = {ψ ∗ (x), ψ ∗ (y)} = 0 {\ displaystyle \ {\ psi (x), \ psi (y) \} = \ {\ psi ^ {*} (x), \ psi ^ {*} (y) \} = 0 \,}\ {\ psi (x), \ psi (y) \} = \ {\ psi ^ {*} ( x), \ psi ^ {*} (y) \} = 0 \,
{ψ ∗ (x), ψ (y)} = i δ (x - y). {\ displaystyle \ {\ psi ^ {*} (x), \ psi (y) \} = i \ delta (xy). \,}\ {\ psi ^ {*} (x), \ psi (y) \} = i \ delta (xy). \,

В отличие от своего линейного аналога, он никогда не описывает эволюцию кванта во времени штат.

Случай с отрицательным κ называется фокусирующим и допускает решения (локализованные в пространстве и имеющие пространственное затухание в сторону бесконечности), а также бризерные решения. Это может быть решено точно с помощью преобразования обратной задачи рассеяния, как показано в Zakharov Shabat (1972) (см. ниже). Другой случай, с положительным κ, - это дефокусирующая NLS, которая имеет решения темного солитона (с постоянной амплитудой на бесконечности и локальным пространственным провалом по амплитуде).

Квантовая механика

Чтобы получить квантованную версию, просто замените скобки Пуассона коммутаторами

[ψ (x), ψ (y)] = [ψ ∗ (x), ψ ∗ (y)] Знак равно 0 [ψ ∗ (x), ψ (y)] = - δ (x - y) {\ displaystyle {\ begin {align} {} [\ psi (x), \ psi (y)] = [\ psi ^ {*} (x), \ psi ^ {*} (y)] = 0 \\ {} [\ psi ^ {*} (x), \ psi (y)] = - \ delta (xy) \ end {align}}}{\ begin {align} {} [\ psi (x), \ psi (y)] = [\ psi ^ {*} (x), \ psi ^ {*} (y)] = 0 \\ {} [\ psi ^ {*} (x), \ psi (y)] = - \ дельта (ху) \ конец {выровнено}}

и нормальный порядок гамильтониан

H = ∫ dx [1 2 ∂ x ψ † ∂ x ψ + κ 2 ψ † ψ † ψ ψ]. {\ displaystyle H = \ int dx \ left [{1 \ over 2} \ partial _ {x} \ psi ^ {\ dagger} \ partial _ {x} \ psi + {\ kappa \ over 2} \ psi ^ { \ dagger} \ psi ^ {\ dagger} \ psi \ psi \ right].}H = \ int dx \ left [{1 \ над 2} \ partial _ {x} \ psi ^ {\ dagger} \ partial _ {x} \ psi + {\ kappa \ over 2} \ psi ^ {\ dagger} \ psi ^ {\ dagger} \ psi \ psi \ right].

Квантовая версия была решена анзацем Бете Либом и Линигером. Термодинамика была описана Chen-Ning Yang. Квантовые корреляционные функции также были оценены Корепиным в 1993 году. Модель имеет высшие законы сохранения - Дэвис и Корепин в 1989 году выразили их в терминах локальных полей.

Решение уравнения

Нелинейное уравнение Шредингера интегрируется в 1d: Захаров и Шабат (1972) решили его с помощью обратного преобразования рассеяния. Соответствующая линейная система уравнений известна как:

ϕ x = J ϕ Λ + U ϕ ϕ t = 2 J ϕ Λ 2 + 2 U ϕ Λ + (JU 2 - JU x) ϕ, {\ displaystyle { \ begin {align} \ phi _ {x} = J \ phi \ Lambda + U \ phi \\\ phi _ {t} = 2J \ phi \ Lambda ^ {2} + 2U \ phi \ Lambda + (JU ^ {2} -JU_ {x}) \ phi, \ end {align}}}{\ begin {align} \ phi _ {x} = J \ phi \ Лямбда + U \ phi \\\ phi _ {t} = 2J \ phi \ Lambda ^ {2} + 2U \ phi \ Lambda + (JU ^ {2} -JU_ {x}) \ phi, \ end {выровнено }}

где

Λ = (λ 1 0 0 λ 2), J = i σ z = (i 0 0 - i), U = i (0 qr 0). {\ displaystyle \ Lambda = {\ begin {pmatrix} \ lambda _ {1} 0 \\ 0 \ lambda _ {2} \ end {pmatrix}}, \ quad J = i \ sigma _ {z} = {\ begin {pmatrix} i 0 \\ 0 -i \ end {pmatrix}}, \ quad U = i {\ begin {pmatrix} 0 q \\ r 0 \ end {pmatrix}}.}\ Lambda = {\ begin {pmatrix} \ lambda _ {1} 0 \\ 0 \ lambda _ {2} \ end {pmatrix}}, \ quad J = i \ sigma _ {z} = {\ begin {pmatrix} i 0 \\ 0 -i \ end {pmatrix}}, \ quad U = i {\ begin {pmatrix} 0 q \ \ r 0 \ end {pmatrix}}.

Нелинейное уравнение Шредингера возникает как условие совместимости системы Захарова – Шабата:

ϕ xt = ϕ tx ⇒ U t = - JU xx + 2 JU 2 U ⇔ {iqt = qxx + 2 qrqirt = - rxx - 2 qrr. {\ displaystyle \ phi _ {xt} = \ phi _ {tx} \ quad \ Rightarrow \ quad U_ {t} = - JU_ {xx} + 2JU ^ {2} U \ quad \ Leftrightarrow \ quad {\ begin {случаях } iq_ {t} = q_ {xx} + 2qrq \\ ir_ {t} = - r_ {xx} -2qrr. \ end {cases}} \,}\ phi _ {{xt}} = \ phi _ {{tx}} \ quad \ Rightarrow \ quad U_ {t} = - JU _ {{xx}} + 2JU ^ {2} U \ quad \ Leftrightarrow \ quad {\ begin {cases} iq_ {t} = q _ {{xx}} + 2qrq \\ ir_ {t} = - r _ {{xx}} - 2qrr. \ End {случаях }} \,

Установив q = r * или q = - r * получено нелинейное уравнение Шредингера с притягивающим или отталкивающим взаимодействием.

Альтернативный подход напрямую использует систему Захарова – Шабата и использует следующее:

ϕ → ϕ [1] = ϕ Λ - σ ϕ U → U [1] = U + [J, σ] σ знак равно φ Ω φ - 1 {\ Displaystyle {\ begin {align} \ phi \ to \ phi [1] = \ phi \ Lambda - \ sigma \ phi \\ U \ to U [1] = U + [J, \ sigma] \\ \ sigma = \ varphi \ Omega \ varphi ^ {- 1} \ end {align}}}{\ begin {align} \ phi \ to \ phi [1] = \ phi \ Lambda - \ sigma \ phi \\ U \ to U [1] = U + [J, \ sigma] \\ \ sigma = \ varphi \ Omega \ varphi ^ {{- 1}} \ end {align}}

, что оставляет систему инвариантной.

Здесь φ - другое обратимое матричное решение (отличное от ϕ) системы Захарова – Шабата со спектральным параметром Ω:

φ x = J φ Ω + U φ φ t = 2 J φ Ω 2 + 2 U φ Ω + (JU 2 - JU x) φ. {\ displaystyle {\ begin {align} \ varphi _ {x} = J \ varphi \ Omega + U \ varphi \\\ varphi _ {t} = 2J \ varphi \ Omega ^ {2} + 2U \ varphi \ Омега + (JU ^ {2} -JU_ {x}) \ varphi. \ End {align}}}{\ begin {выровнено} \ varphi _ {x} = J \ varphi \ Omega + U \ varphi \\\ varphi _ {t} = 2J \ varphi \ Omega ^ {2} + 2U \ varphi \ Omega + (JU ^ {2} -JU_ {x}) \ varphi. \ e nd {выровнено}}

Начиная с тривиального решения U = 0 и повторяя, можно получить решения с n солитонами.

Уравнение NLS - это уравнение в частных производных, подобное уравнению Гросса – Питаевского. Обычно у него нет аналитического решения, и те же численные методы, которые используются для решения уравнения Гросса – Питаевского, такие как расщепленные методы Кранка – Николсона и спектральные методы Фурье, используются для его решение. Существуют разные программы на Fortran и C.

Галилеевская инвариантность

Нелинейное уравнение Шредингера Галилеев инвариант в следующем смысле:

Дано решение ψ (x, t) новое решение можно получить, заменив x на x + vt всюду в ψ (x, t) и добавив фазовый множитель e - iv (x + vt / 2) {\ displaystyle e ^ {- iv (x + vt / 2)} \,}e ^ {{- iv (x + vt / 2)}} \, :

ψ (x, t) ψ [v] (x, t) = ψ (x + vt, t) e - iv (x + vt / 2). {\ Displaystyle \ psi (x, t) \ mapsto \ psi _ {[v]} (x, t) = \ psi (x + vt, t) \; e ^ {- iv (x + vt / 2)}.}\ psi (x, t) \ mapsto \ psi _ {{[v]}} (x, t) = \ psi (x + vt, t) \; e ^ {{- iv (x + vt / 2)}}.
Нелинейное уравнение Шредингера в волоконной оптике

В оптике нелинейное уравнение Шредингера встречается в системе Манакова, модели распространения волн в волокне. оптика. Функция ψ представляет собой волну, а нелинейное уравнение Шредингера описывает распространение волны через нелинейную среду. Производная второго порядка представляет собой дисперсию, а член κ представляет собой нелинейность. Уравнение моделирует многие эффекты нелинейности в волокне, включая, помимо прочего, фазовую самомодуляцию, четырехволновое смешение, генерацию второй гармоники, вынужденное комбинационное рассеяние, оптические солитоны, ультракороткие импульсы и т. д.

Нелинейное уравнение Шредингера в волнах на воде
A гиперболический секанс (sech) солитон огибающей для поверхностных волн на глубокой воде.. Синяя линия: волны на воде.. Красная линия: солитон огибающей.

Для волн на воде нелинейное уравнение Шредингера описывает эволюцию огибающая из модулированных волновых групп. В статье 1968 г. Владимир Э. Захаров описывает гамильтонову структуру водных волн. В той же работе Захаров показывает, что для медленно модулированных групп волн амплитуда волны приблизительно удовлетворяет нелинейному уравнению Шредингера. Величина параметра нелинейности к зависит от относительной глубины воды. Для глубокой воды, с большой глубиной воды по сравнению с длиной волны водных волн, к отрицательно, и могут возникнуть солитоны огибающей .

Для мелководья с длиной волны, превышающей глубину в 4,6 раза, параметр нелинейности к положителен и группы волн с солитонами огибающей не существуют. В мелкой воде солитоны возвышения поверхности или волны перемещения действительно существуют, но они не регулируются нелинейным уравнением Шредингера.

Считается, что нелинейное уравнение Шредингера важно для объяснения образования волн-убийц.

комплексное поле ψ, появляющееся в нелинейном уравнении Шредингера, связано с амплитуда и фаза волн на воде. Рассмотрим медленно модулированную несущую волну с водной поверхностью высотой η вида:

η = a (x 0, t 0) cos ⁡ [k 0 x 0 - ω 0 t 0 - θ (x 0, t 0)], {\ displaystyle \ eta = a (x_ {0}, t_ {0}) \; \ cos \ left [k_ {0} \, x_ {0} - \ omega _ {0} \, t_ {0} - \ theta (x_ {0}, t_ {0}) \ right],}\ eta = a (x_ {0}, t_ {0}) \; \ cos \ left [k_ {0} \, x_ { 0} - \ omega _ {0} \, t_ {0} - \ theta (x_ {0}, t_ {0}) \ right],

где a (x 0, t 0) и θ (x 0, t 0) - это медленно модулированная амплитуда и фаза. Кроме того, ω 0 и k 0 - (постоянные) угловая частота и волновое число несущих волн, которые должны удовлетворять соотношение дисперсии ω 0 = Ω (k 0). Тогда

ψ = a exp ⁡ (i θ). {\ displaystyle \ psi = a \; \ exp \ left (i \ theta \ right).}\ psi = a \; \ exp \ left (i \ theta \ right).

Итак, его модуль | ψ | - амплитуда волны a, а ее аргумент arg (ψ) - фаза θ.

Связь между физическими координатами (x 0, t 0) и координатами (x, t), как используется в нелинейном уравнении Шредингера указанное выше, определяется по формуле:

x = k 0 [x 0 - Ω ′ (k 0) t 0], t = k 0 2 [- Ω ″ (k 0)] t 0 {\ displaystyle x = k_ {0} \ left [x_ {0} - \ Omega '(k_ {0}) \; t_ {0} \ right], \ quad t = k_ {0} ^ {2} \ left [- \ Omega '' (k_ {0}) \ right] \; t_ {0}}x=k_{0}\left[x_{0}-\Omega '(k_{0})\;t_{0}\right],\quad t=k_{0}^{2}\left[-\Omega ''(k_{0})\right]\;t_{0}

Таким образом (x, t) - это преобразованная система координат, движущаяся с групповой скоростью Ω '(k 0) несущих волн. Дисперсионное соотношение кривизна Ω "(k 0) - представляющее дисперсию групповой скорости - всегда отрицательно для волны на воде под действием силы тяжести для любой глубины воды.

Для волн на водной поверхности на большой глубине коэффициенты важности для нелинейного уравнения Шредингера равны:

κ = - 2 k 0 2, Ом (к 0) знак равно гк 0 знак равно ω 0 {\ displaystyle \ kappa = -2k_ {0} ^ {2}, \ quad \ Omega (k_ {0}) = {\ sqrt {gk_ {0}}} = \ omega _ {0} \, \!}\ kappa = -2k_ {0} ^ {2}, \ quad \ Omega (k_ {0}) = {\ sqrt {gk_ {0}}} = \ omega _ {0} \, \! так что Ω ′ (k 0) Знак равно 1 2 ω 0 К 0, Ω ″ (к 0) = - 1 4 ω 0 К 0 2, {\ displaystyle \ Omega '(k_ {0}) = {\ frac {1} {2}} {\ frac {\ omega _ {0}} {k_ {0}}}, \ quad \ Omega '' (k_ {0}) = - {\ frac {1} {4}} {\ frac {\ omega _ {0} } {k_ {0} ^ {2}}}, \, \!}{\displaystyle \Omega '(k_{0})={\frac {1}{2}}{\frac {\omega _{0}}{k_{0}}},\quad \Omega ''(k_{0})=-{\frac {1}{4}}{\frac {\omega _{0}}{k_{0}^{2}}},\,\!}

где g - ускорение свободного падения на поверхности Земли.

В исходных координатах (x 0,t0) нелинейное уравнение Шредингера для волн на воде выглядит следующим образом:

i ∂ t 0 A + i Ω ′ (k 0) ∂ x 0 A + 1 2 Ω ″ (k 0) ∂ x 0 x 0 A - ν | А | 2 A = 0, {\ displaystyle i \, \ partial _ {t_ {0}} A + i \, \ Omega '(k_ {0}) \, \ partial _ {x_ {0}} A + {\ tfrac { 1} {2}} \ Omega '' (k_ {0}) \, \ partial _ {x_ {0} x_ {0}} A- \ nu \, | A | ^ {2} \, A = 0, }{\displaystyle i\,\partial _{t_{0}}A+i\,\Omega '(k_{0})\,\partial _{x_{0}}A+{\tfrac {1}{2}}\Omega ''(k_{0})\,\partial _{x_{0}x_{0}}A-\nu \,|A|^{2}\,A=0,}

с A = ψ ∗ {\ displaystyle A = \ psi ^ {*}}{\ displaystyle A = \ psi ^ {*}} (то есть комплексно-сопряженное из ψ {\ displaystyle \ psi}\ psi ) и ν = κ k 0 2 Ω ″ (k 0). {\ displaystyle \ nu = \ kappa \, k_ {0} ^ {2} \, \ Omega '' (k_ {0}).}{\displaystyle \nu =\kappa \,k_{0}^{2}\,\Omega ''(k_{0}).}Итак, ν = 1 2 ω 0 k 0 2 {\ displaystyle \ nu = {\ tfrac {1} {2}} \ omega _ {0} k_ {0} ^ {2}}{\ displaystyle \ nu = {\ tfrac {1} {2}} \ omega _ {0} k_ {0} ^ {2}} для глубоководных волн.

Калибровочный эквивалент

NLSE (1) калибровочно эквивалентен следующему изотропному уравнению Ландау-Лифшица (LLE) или ферромагнетику Гейзенберга уравнению

S → t = S → ∧ S → хх. {\ displaystyle {\ vec {S}} _ {t} = {\ vec {S}} \ wedge {\ vec {S}} _ {xx}. \ qquad}{\ vec {S}} _ {t} = {\ vec {S} } \ wedge {\ vec {S}} _ {{xx}}. \ qquad

Обратите внимание, что это уравнение допускает несколько интегрируемых и неинтегрируемые обобщения в 2 + 1 измерениях, такие как уравнение Ишимори и так далее.

Связь с вихрями

Хасимото (1972) показал, что работа да Риоса (1906) по вихревым нитям тесно связана с нелинейными Уравнение Шредингера. Впоследствии Салман (2013) использовал это соответствие, чтобы показать, что бризерные решения также могут возникать для вихревой нити.

См. Также
Примечания
Ссылки

Примечания

Другое

Внешние ссылки
Последняя правка сделана 2021-05-31 12:12:04
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте