»óÀÚ ¼ÓÀÇ ÀÔÀÚ¿¡ ¾î¶² ¼ø°£ºÎÅÍ ¼·µ¿ÀÌ °É¸± ¶§ÀÇ ¿¹
´ÙÀ½ ÇÁ·Î±×·¥Àº Á¤»ó»óÅ¿¡ ¾à°£ÀÇ ÆÛÅÙ¼ÈÀÇ º¯È°¡ ÁÖ¾îÁú ¶§ »óÅ°¡ º¯ÈÇÏ´Â ÇÑ ¿¹¸¦ º¸¿©ÁØ´Ù. óÀ½¿¡´Â 1Â÷¿ø »óÀÚ¿¡ ÀÖ´Â ÀÔÀÚ°¡ ´ÜÀÏ»óÅ·ΠÀÖÀ¸³ª ¿À¸¥ÂÊ ¿µ¿ª¿¡ ¾à°£ÀÇ ÆÛÅÙ¼ÈÀ» °É¾îÁÙ ¼ö ÀÖ°í, ÀÌ ¿µÇâÀ¸·Î ´ÜÀÏ»óÅ´ ¿©·¯ »óÅ·Π°¥¶óÁö°Ô µÈ´Ù. 'run' ¹öÆ°À» ´©¸£¸é ±× ½Ã°¢ºÎÅÍ ¼·µ¿ÀÌ °É¸®°Ô µÇ°í, ½Ã½Ã°¢°¢ Æĵ¿ÇÔ¼ö°¡ º¯ÇÏ´Â °ÍÀ» °è»êÇÏ¿© Æĵ¿ÇÔ¼ö, ÁßøµÈ »óŸ¦ ±×¸²À¸·Î º¸¿©ÁØ´Ù.
graph |
|
»óÀÚÀÇ ÀÔÀÚ¿¡ °É¸®´Â ¼·µ¿_ »óÀÚ¿¡ ³õÀÎ ÀÔÀÚ¿¡ ¼·µ¿ ÆÛÅÙ¼ÈÀÌ °É·Á¼ ƯÁ¤ »óÅ°¡ ´Ù¸¥ »óÅ·ΠÀüÀÌÇÏ´Â °ÍÀ» º¸¿©ÁØ´Ù. °¡ÀåÀÚ¸®¿¡ ¹«ÇÑ ÆÛÅÙ¼ÈÀÌ ÀÖ´Â 1Â÷¿ø »óÀÚÀÇ ÀÔÀÚ¸¦ ±âÁØÀ¸·Î ÇÑ´Ù. óÀ½ »óÅ´ 'quantum #(n)'ÀÇ ½ºÇdzʷΠº¯°æÇÒ ¼ö ÀÖÀ¸¸ç, ÀÌ¿¡ µû¸¥ Æĵ¿ÇÔ¼ö¸¦ x-°ø°£(x domain)°ú k-°ø°£(k domain)¿¡¼ º¸¿©ÁØ´Ù. k-°ø°£ÀÇ ±×·¡ÇÁ´Â óÀ½¿¡´Â ´ÜÀÏ »óŸ¦ ÇÏ°í ÀÖ´Â °ÍÀ» º¸¿©ÁØ´Ù. 'run' ¹öÆ°À¸·Î ½Ã°£À» È帣°Ô ÇÏ¸é ¿©ÀüÈ÷ ´ÜÀÏ»óŸ¦ À¯ÁöÇÑ´Ù. ±×·¯³ª 'potential position'°ú 'potential height' µÎ ½½¶óÀÌ´õ·Î ¼·µ¿ ÆÛÅÙ¼ÈÀ» ¼³Á¤Çϸé óÀ½ »óÅ°¡ ¿©·¯ °ªÀÇ k »óÅ·Π³ª´©¾îÁö´Â °ÍÀ» º¼ ¼ö ÀÖ´Ù.
|
»óÅ »çÀ̸¦ ÀüÀÌÇÒ È®·üÀ» ±â¼úÇÑ´Ù.
¾ÕÀÇ ¸ðÀǽÇÇèÀº ¾î¶² ¼ø°£ºÎÅÍ ¼·µ¿ÀÌ °É¸®´Â »óȲÀÌ´Ù. ¾Õ¼ Áö¼ÓÀûÀ¸·Î °°Àº ¼·µ¿ÀÌ °É¸®´Â °æ¿ì¿Í ´Þ¸® ÆÛÅÙ¼ÈÀÌ ½Ã°£¿¡ µû¶ó º¯ÇÏ°í ÀÖÀ¸¹Ç·Î óÀ½¿¡´Â Á¤»ó»óÅ·ΠÀÖ¾ú´Ù°í ÇÏ´õ¶óµµ ¼·µ¿ÀÌ °É¸®´Â ¼ø°£ºÎÅÍ ±× »óÅ´ Áö¼ÓÀûÀ¸·Î º¯ÈµÈ´Ù. ÀÌ¿Í °°Àº °ÍÀ» ±Ù»çÀûÀ¸·Î Çؼ®ÇÏ´Â ±â¹ýÀÌ ½Ã°£ÀÇÁ¸ ¼·µ¿ÀÌ·Ð(time dependent perturbation)ÀÎ µ¥, ÀÌ´Â ¿øÀÚ¿¡¼³ª ¿øÀÚÇÙ¿¡¼ ±¤ÀÚ°¡ Èí¼ö¿Í ¹æÃâµÇ´Â °úÁ¤À» ÀÌÇØÇÏ´Â µ¥ ÇʼöÀûÀÌ´Ù. ÀÌ ÀÌ·ÐÀÌ ÀÔÀÚÀÇ »ý¼º°ú ¼Ò¸êÀ» Æ÷°ýÇؼ ´Ù·ç´Â ¾çÀÚÀå·Ð(quantum field theory)À¸·Î ü°èȵȴÙ.
ÇعÐÅä´Ï¾È¿¡ $H_0$ ´ëÇؼ ¿ÏÀüÇÑ Çظ¦ ¾Ë°í ÀÖ´Ù°í ÇÏÀÚ. ÀÌ¿¡ ´ëÇÑ ½Ã°£ÀÇÁ¸ ½´·Úµù°Å ¹æÁ¤½ÄÀº \[ \begin{equation} \label{eq1} i\hbar \frac{\partial}{\partial t} \Phi = H_0 \Phi \end{equation} \] ÀÌ´Ù. ÀÌ¿¡ ´ëÇÑ ÇØÀÇ ÁýÇÕÀÌ $\{\Phi_1, \Phi_2, \cdots, \Phi_n, \cdots \}$ÀÌ°í, ¿¡³ÊÁö °íÀµ°ªÀ» $\{E_1, E_2, \cdots, E_n, \cdots \}$À̶ó°í ÇÏÀÚ. \[ \Phi_n(x, t) = \phi_n(x) e^{-iE_n t/\hbar} \] À̵é ÇØÀÇ ÁýÇÕÀº ¿ÏÀü°è¸¦ ÀÌ·ç°í ÀÖ´Ù. ¶Ç À̸¦ Á÷±³±Ô°ÝÈ µÈ °ÍÀ¸·Î º¸ÀÚ. ÀÓÀÇÀÇ ÇÔ¼ö´Â ÀÌÁ¦ À̵éÀÇ Á¶ÇÕÀ¸·Î ³ªÅ¸³¾ ¼ö ÀÖ´Ù. Áï, \[ \begin{equation} \label{eq3} \Psi(x, t) = \sum_n c_n(t) \Phi_n(x, t) = \sum_n c_n(t) \phi_n(x) e^{-iE_n t/\hbar} \end{equation} \] ÀÌ´Ù.
À§ÀÇ ÇعÐÅä´Ï¾È $H_0$¿¡¼ ¾à°£ÀÇ º¯µ¿µÈ ÇعÐÅä´Ï¾ÈÀÌ ´ÙÀ½°ú °°ÀÌ ÁÖ¾îÁø´Ù°í ÇÏÀÚ. \[ \begin{equation} \label{eq4} H= H_0 + H_I(t) = H_0 + \lambda H_i(t) \end{equation} \] ¿©±â¼ $\lambda$Àº ÀÛÀº °ªÀ̱⠶§¹®¿¡ ÀÌ ÇعÐÅä´Ï¾È¿¡ ´ëÇÑ ÇØ´Â $H_I(t)$ÀÌ ¾ø´Â °Í¿¡¼ ¾à°£ÀÇ º¯µ¿ÀÌ ÀÖÀ» °ÍÀÌ´Ù. $H_I(t)$Àº Àß ÀÌÇصǾî ÀÖ´Â ¿ø·¡ÀÇ ¹°¸®ÀûÀÎ »óȲ¿¡ ÁÖ¾îÁø ¾à°£ÀÇ °Çµå¸²À¸·Î À̸¦ ¼·µ¿Ç×(perturbation term)À̶ó ÇÏÀÚ. $H_0$¿¡ ´ëÇÑ °íÀ¯ÇÔ¼öµéÀº $H$¿¡ ´ëÇؼ´Â °íÀ¯ÇÔ¼ö°¡ ¾Æ´Ï´Ù.
¿©±â¼ $H$ÀÇ °íÀ¯ÇÔ¼ö $\Psi(x, t)$¶ó ÇÏ°í À̸¦ \eqref{eq3} ½Ä°ú °°ÀÌ $\Phi$µéÀÌ ÁßÁ¢µÈ °ÍÀ¸·Î ³ªÅ¸³»¾î ÇÔ¼ö¿¡ $H$¸¦ °É¾îÁÖ¸é, \[ i\hbar \frac{\partial}{\partial t} \Psi = H \Psi = [H_0 + H_I(t)] \Psi \] ÀÌ´Ù. À̸¦ Àü°³Çϸé, \[ i\hbar \sum_n \left[ \frac{d}{d t} c_n(t) \right] \Phi_n(x, t) + \sum_n c_n(t) \left[ i\hbar \frac{\partial}{\partial t} \Phi_n(x, t) \right] = \sum_n c_n (t) H_0 \Phi_n(x,t) + \sum_n c_n (t) H_I \Phi_n(x,t) \] ÀÌ´Ù. ÀÌ ½ÄÀÇ ¿ÞÂÊÀÇ µÑ°Ç×°ú ¿À¸¥ÂÊÀÇ Ã¹Ç×Àº \eqref{eq1}¿¡ ÀÇÇØ °°Àº °ªÀ¸·Î ¾ø¾îÁø´Ù. µû¶ó¼ \[ i\hbar \sum_n \left[ \frac{d}{d t} c_n(t) \right] \Phi_n(x, t) = \sum_n c_n (t) H_I \Phi_n(x,t) \] ÀÌ´Ù. ¿©±â¼ $\{c_n\}$ÀÇ Æ¯Á¤ °ªÀ» ÃßÃâÇϱâ À§Çؼ ¾çº¯¿¡ $\Phi^*_m(x,t)$¸¦ °öÇؼ $x$¿¡ ´ëÇØ ÀûºÐÇÏÀÚ. $\int \Phi^*_m(x,t)\Phi_n(x,t)dx = \delta_{mn}$¿¡ ÀÇÇØ \[ i\hbar \frac{d}{d t} c_m(t) = \sum_n \left[ \int \Phi^*_m(x,t) H_I(t) \Phi_n(x,t) dx \right] c_n(t) \] À¸·Î µÈ´Ù. ¿©±â¼ $[\cdots]$ Ç×À» $T_{mn}(t)$·Î ³õ°í ´õ Á¤¸®Çϸé, \[ \begin{equation} \label{eq5} i \hbar \frac{d}{dt} c_m(t) = \sum_n T_{mn}(t) c_n(t) e^{i\omega_{mn}t} \end{equation} \] À¸·Î µÈ´Ù. ¿©±â¼ \[ \omega_n = \frac{E_n}{\hbar}, \qquad \omega_{mn} = \frac{E_m-E_n}{\hbar} = \omega_m - \omega_n \] ·ÎÀÇ Ãà¾àµÈ ±âÈ£·Î ½è´Ù. ¶Ç \[ \begin{equation*} \begin{split} T_{mn}(t) & = & \int \phi^*_m(x) [H_I (t)] \phi_n (x) dx \\ & \Rightarrow & \langle \phi_m | H_I | \phi_n \rangle \\ & \Rightarrow & \langle m | H_I | n \rangle = \lambda \langle m | H_i | n \rangle \end{split} \end{equation*} \] Àº ÀüÀÌÇà·Ä(transition matrix)·Î ¿¬»êÀÚ $H_I$¸¦ $\{\phi_n\}$À» ±âÀú·Î Çؼ Çà·Ä·Î ³ªÅ¸³ÂÀ» ¶§ÀÇ °¢ ¿ä¼ÒµéÀÌ´Ù. ±âº»ÀûÀ¸·Î \eqref{eq5} ½ÄÀº ¿¬¸³¹ÌºÐ¹æÁ¤½ÄÀ¸·Î Ç®ÀÌ°¡´ÉÇÑ ÇüÅ·ΠÁ¤¸®µÇ¾î ÀÖÁö¸¸ ½ÇÁ¦·Î´Â °¢±â ´Ù¸¥ $n$ÀÇ $c_n(t)$µéÀÌ ¼·Î ¾ôÇô ÀÖ¾î¼ Çؼ®ÀûÀ¸·Î Ç®ÀÌ ÇÏ´Â °ÍÀº °ÅÀÇ ºÒ°¡´ÉÇÏ´Ù. ±×·¯³ª ¼·µ¿ ÆÛÅÙ¼ÈÀÌ ÀÛ´Ù¸é $\{c_n(t)\}$¸¦ $\lambda$¿¡ ´ëÇÑ ±Þ¼ö·Î ³ªÅ¸³»¾î¼ ±Ù»çÇطδ ±¸ÇÒ ¼ö´Â ÀÖ´Ù. Áï, \[ c_m(t) = c_m^{(0)}(t) + \lambda c_m^{(1)}(t) + \lambda^2 c_m^{(2)}(t) + \cdots \] ÀÌÁ¦ À̸¦ \eqref{eq5}¿¡ ´ëÀÔÇؼ $\lambda$¿¡ ´ëÇÑ Â÷¼öº°·Î Á¤¸®Çϸé, \[ \begin{equation} \label{eq6} i\hbar \frac{dc_m^{(0)} (t)}{dt} = 0 \end{equation} \] \[ \begin{equation} \label{eq7} i\hbar \frac{dc_m^{(1)} (t)}{dt} = \sum_n \langle m | H_i | n \rangle e^{i \omega_{mn} t} c_n^{(0)}(t) \end{equation} \] \[ \begin{equation} \label{eq8} i\hbar \frac{dc_m^{(2)} (t)}{dt} = \sum_n \langle m | H_i | n \rangle e^{i \omega_{mn} t} c_n^{(1)}(t) \end{equation} \] ¿©±â¼ $\lambda = 0$ÀÎ °æ¿ì´Â ù ½Ä¸¸ ³ªÅ¸³ª¸ç, ´ç¿¬È÷ $\{c_m^{(0)} (t)\}$´Â »ó¼öÀ̹ǷΠ\eqref{eq6} ½ÄÀº ¹«ÀǹÌÇÏ°í, ±× ´ÙÀ½ ½ÄºÎÅÍ Àǹ̰¡ ÀÖ´Ù. óÀ½¿¡ ÁÖ¾îÁø $\{c_n^{(0)}\}$À¸·ÎºÎÅÍ $\{c_n^{(1)} (t)\}$¸¦ ±¸ÇÏ°í, ¶Ç À̷κÎÅÍ ¼øÂ÷ÀûÀ¸·Î $\{c_n^{(2)} (t)\}$¸¦ ±¸ÇÏ¸é ¿øÇÏ´Â Á¤¹Ðµµ·Î Çظ¦ ±¸¼ºÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù.
Á¤»ó»óÅÂÀÇ ¾çÀÚ°è¿¡ ¾î¶² ¼ø°£ºÎÅÍ ¼·µ¿ÀÌ °É¸°´Ù.
½ÇÁ¦ ÀÌ °úÁ¤À» Àû¿ëÇÏ´Â ¹°¸®ÀûÀÎ »óȲÀº ÀÛÀº ¼·µ¿Ç×ÀÌ °É·Á ÀÖ´Â °æ¿ìÀÌ´Ù. Áï $\lambda$°¡ ¸Å¿ì ÀÛ´Ù. ÀÌ¿¡ ´ÙÀ½°ú °°ÀÌ ¸î °¡Áö Á¶°ÇÀÌ Ãß°¡µÇ¾ú´Ù°í º¸ÀÚ.
1. $\lambda$°¡ ÀÛ´Ù. µû¶ó¼ $c_n(t)$¿¡¼ $\lambda$¿¡ ´ëÇÑ 1Â÷Ç׸¸ °í·ÁÇÏ¸é µÇ¹Ç·Î \eqref{eq7} ½ÄÀ¸·Î ÃæºÐÇÏ´Ù.
2. Ãʱ⿡´Â ¼·µ¿ÀÌ °¡ÇØÁöÁö ¾ÊÀº »óÅ·κÎÅÍ Ãâ¹ßÇÑ´Ù. Ãʱ⿡ ÁÖ¾îÁø »óÅ´ $n$ÀÇ ´ÜÀÏ»óÅ·Π¿ÀÁ÷ $c_n^{(0)}$¸¸ ÀÖ´Ù. Áï $c_j^{(0)} = \delta_{jn}$ÀÌ´Ù.
3. ƯÁ¤ ½Ã°£ $t=0$ºÎÅÍ ¼·µ¿Ç×ÀÌ Ãß°¡µÇ¾î ÀÌÀÇ ¿µÇâÀ¸·Î ¿ø·¡ÀÇ $H_0$¿¡ ´ëÇÑ ´ÜÀÏ»óÅ´ ÀÌÁ¦ ¿©·¯ »óÅ·ΠÀüÀÌÇÒ ¼ö ÀÖ°í, $t$¿¡¼ $m$ »óÅ·ΠÀüÀÌÇÏ´Â È®·üÀº $c_m(t)$¿¡ ÀÇÁ¸ÇÑ´Ù.
4. ÀüÀÌ °¡´ÉÇÑ ¿©·¯ »óŵé Áß¿¡¼ ƯÁ¤»óÅ $m$À¸·Î µÉ È®·üÀ» °è»êÇÑ´Ù.
ÀÌ¿¡ µû¶ó \[ \lambda c_m^{(1)}(t) = \frac{1}{i\hbar} \int^{t}_0 e^{i\omega_{mn}t'} T_{mn}(t') dt' \] ÀÌ°í, \[ \begin{equation} \label{eq9} c_m(t) \cong \delta_{mn} + \frac{1}{i\hbar} \int^{t}_0 e^{i\omega_{mn}t'} T_{mn}(t') dt' \end{equation} \] ÀÌ´Ù. ÀÌÁ¦ Ãʱâ»óÅ $\Phi_n$¿¡¼ $\Phi_m$À¸·Î ÀüÀÌÇÒ È®·üÀº \[ P_{nm} = |c_m(t)|^2 \] ÀÌ µÈ´Ù.
2Â÷ ¼·µ¿°ú °íÂ÷ÀÇ ¼·µ¿
1Â÷ ±Ù»çÀÇ °á°ú¸¦ \eqref{eq8} ½Ä¿¡ ´ëÀÔÇϸé 2Â÷ ±Ù»çÀÇ °è¼ö $c^{(2)}_m$¸¦ ±¸ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. Áï, \[ \begin{equation} \label{eq10} \lambda^2 c_m^{(2)}(t) = \left( \frac{1}{i\hbar} \right)^2 \sum_{j_1} \int^{t}_0 dt_2 \int^{t_2}_0 dt_1 V(m, j_1; t_2) V(j_1, n; t_1) \end{equation} \] ÀÌ´Ù. ¿©±â¼ °£°áÀ» À§Çؼ \[ V(j, i; t) = e^{i\omega_{ji}t} T_{ji}(t) = e^{i\omega_{ji}t} \langle j | H_I(t) | i \rangle \] ÀÇ Ãà¾àµÈ ±âÈ£¸¦ ½è´Ù. µ¿ÀÏÇÑ °úÁ¤À» ¹Ýº¹ÇÏ¿© ÀϹÝÀûÀÎ $l$Â÷¿¡ ´ëÇØ Ç¥ÇöÇÏ¸é ´ÙÀ½°ú °°´Ù. \[ \begin{multline} \label{eq11} \lambda^l c_m^{(l)}(t) = \\ \left( \frac{1}{i\hbar} \right)^l \sum_{j_{l-1}}\sum_{j_{l-2}} \cdots \sum_{j_1} \int^{t}_0 dt_l \int^{t_l}_0 dt_{l-1} \cdots \int^{t_2}_0 dt_1 V(m, j_{l-1}; t_l) V(j_{l-1}, j_{l-2}; t_{l-1}) \cdots V(j_1, n; t_1) \end{multline} \]
_ ½´·Úµù°Å ¹æÁ¤½Ä_ Æĵ¿ÇÔ¼ö_ °íÀ¯ÇÔ¼ö_ Á¤»ó»óÅÂ_ ¿¬»êÀÚ_ °íÀµ°ª_ ÀüÀÌ
|