林琨智,劉 艷,何 畏

(1.吉林工業(yè)職業(yè)技術學院,吉林 吉林 132108;2.吉林化工學院 理學院,吉林 吉林 132021;3.華北電力大學 國際教育學院電氣工程及其自動化系,北京 102206)

近年來,關于介觀電路量子效應的研究已引起人們廣泛關注[1-4],基于電荷量子化建立的介觀電路理論[5],采用絕熱近似,將電源作為常數(shù)處理,給出介觀電路的定態(tài)解.由于含電感和電容介觀電路中的電流強度和電壓是時間的函數(shù),因此,若電路的量子態(tài)處于不同本正態(tài)的疊加,則其實驗可測量值為力學量的平均值.本文在文獻[5-6]的基礎上,以LC串聯(lián)電路為例,采用介觀電路準經(jīng)典描述[7]力學量平均值隨時間的演化規(guī)律,給出描述電荷量子化介觀電路的準經(jīng)典方法.

1 電流強度的平均值

經(jīng)典有源LC串聯(lián)電路的運動方程為

(1)

其中:q為電荷;L為電感;C為電容;ε(t)為外加電源.其對應的Hamilton量為

(2)

?.

(3)

(4)

(5)

在p表象中動量算符定義為

(6)

自由Hamilton算符定義為

(7)

Hamilton算符為

(8)

對于介觀LC電路

(9)

(10)

這里{·,·}表示反對易.使式(10)等號成立的條件為

(11)

根據(jù)相干態(tài)是最小不確定態(tài)的性質(zhì),式(10)應取等號,即

(12)

(13)

利用式(5),(6)及Q的定義可得:

(14)

(15)

LC介觀電路滿足Schr?dinger方程

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

將式(18)和式(24)代入式(19),式(23)代入式(20)得:

(25)

(26)

將式(25)除以式(26)可得

(27)

(28)

由式(18),(25),(28)可得LC介觀電路電荷平均值滿足的非線性方程為

(29)

(30)

其中:

(31)

將式(31)對t微分得電流強度的平均值為

(32)

取cn(ωt)的實周期K,當時間t滿足

(33)

時,式(32)不為零.其中

(34)

若電源給LC電路電容充電的電荷數(shù)為基本電荷的整數(shù)倍,則在任意時刻電路中都不應出現(xiàn)基本電荷的分數(shù)情況.即

(35)

將式(35)代入式(31)可得

(36)

2 相干態(tài)波函數(shù)

由式(11),(12)可得[9]

(37)

將式(37)代入式(11)可得

(38)

(39)

將式(14),(18)代入式(39)可得

(40)

令

(41)

移項得

(42)

由相干態(tài)為滿足最小不確定態(tài)的表述

(43)

中求出(Δq)2并代入式(42)可得

(44)

由于(Δpe)2為小量,因此式(44)中第二項的量比第一項更小,故舍去.令其等于零可得

(45)

將式(45)代入式(43)可得

(46)

將式(45)代入式(40)可得相干態(tài)波函數(shù)為

(47)

ψ(p,t)=eiθ(p,t)φ(p,t),

(48)

其中θ(p,t)為實數(shù).

由于ψ(p,t)為歸一化波函數(shù),因此代入式(47)可得

(49)

(50)

式(50)乘以dt并積分得

(51)

3 準經(jīng)典波函數(shù)

由于電荷和電流強度平均值與相干態(tài)波函數(shù)存在的前提是存在滿足Schr?dinger方程式(16)的準經(jīng)典波函數(shù)式(48),因此若θ(p,t)存在,則式(48)成立.將式(47)代入式(48)后再代入式(16),并令等式兩端的實部和虛部對應相等,可得:

(52)

(53)

其中:

(54)

(55)

(56)

式(56)為Riccati方程,該方程存在y(p,t)的解,從而可得

(57)

將式(57)代入式(52),(53)可得h1(t),證明ψ(p,t)=φ(p,t)eiθ(p,t)存在.

當qe→0時,由式(29),(51),(47)分別得:

(58)

(59)

(60)

將式(59)代入式(60)可得歸一化概率密度為

→0.

(61)

式(58)和式(61)與文獻[7]的結果相符.

綜上所述,本文以LC介觀電路為例,利用電荷量子化介觀電路中電荷和廣義電流滿足的對易關系、 波函數(shù)遵循的Schr?dinger方程和力學量平均值隨時間演化公式,給出了相干態(tài)波函數(shù)滿足的微分方程,形成了描述電荷量子化介觀電路的準經(jīng)典方法.

[1] Garcia R G.Atomic-Scale Manipulation in Air with the Scanning Tunneling Microscope [J].Appl Phys Lett,1992,60(16): 1960-1962.

[2] Landeuer R.Spatial Variation of Currents and Fields Due to Localized Scatterers in Metallic Conduction [J].Res Dev,1957,1(3): 223-231.

[3] Louisell W H.Quantum Statistical Properties of Radiation [M].New York: John Wiley,1973: 90-124.

[4] 凌瑞良,馮金福.熵、 量子與介觀量子現(xiàn)象 [M].北京: 科學出版社,2008: 122-128.

[5] LI You-quan,SHA Jian,ZHANG Qi-rui,et al.Quantum Effects of Charge in the Mesoscopic Circuit [J].Acta Phys Sinica,1997,46(1): 129-133.

[6] 倪光炯,陳蘇卿.高等量子力學 [M].上海: 復旦大學出版社,2000: 29-42.

[7] LIN Kun-zhi,LIU Yan.Quasi-classical Description of Mesoscopic Circuit [J].Journal of Jilin University: Science Edition,2011,49(3): 523-527.(林琨智,劉艷.介觀電路的準經(jīng)典描述 [J].吉林大學學報: 理學版,2011,49(3): 523-527.)

[8] 劉式適,劉式達.特殊函數(shù) [M].2版.北京: 氣象出版社,2002: 620-630.

[9] YAN Zhan-yuan.Quantum Effects in Mesoscopic Circuits [D].Baoding: North China Electric Power University,2007.(閻占元.介觀電路量子效應的研究 [D].保定: 華北電力大學,2007.)