¼·µ¿ÀÌ·Ð


¼·µ¿ÀÇ ÀÇÇÑ »óÅÂÀüÀÌ

º¯ÇÏÁö ¾Ê´Â ¼·µ¿ÀÌ ¾î¶² ¼ø°£ºÎÅÍ °É¸± ¶§

¼·µ¿Ç× $H_I$°¡ $t=0$ºÎÅÍ °É¸®µÇ ±× ¶§ºÎÅÍ´Â ÀÏÁ¤ÇÑ °ªÀ¸·Î À¯ÁöµÈ´Ù°í ÇÏÀÚ. \[ H_I(t) = \begin{cases} 0 & ~~ t \lt 0, \\ A & ~~ t \ge 0. \end{cases} \] ÀÌ·¯ÇÑ °æ¿ìµµ ¿ª½Ã ½Ã°£¿¡ ÀÇÁ¸ÇÏ´Â ¼·µ¿ÀÌ´Ù. ±×·¯³ª $T_{mn}(t)$ ¿ª½Ã $t=0$ ÀÌÈķδ ½Ã°£¿¡ ¹«°üÇÏ¿© ¾Õ¼­ 1Â÷ ¼·µ¿À¸·Î À¯µµÇÑ ´ÙÀ½ ½Ä¿¡¼­ÀÇ ÀûºÐÇ×Àº ¹Ù·Î °è»êµÈ´Ù. \[ \begin{equation} \label{eq:eq8} c_m(t) \cong \delta_{mn} + \frac{1}{i\hbar} \int^{t}_0 e^{i\omega_{mn}t'} T_{mn}(t') dt' \end{equation} \] $T_{mn}$À» Á¦¿ÜÇÑ ÀûºÐÇ×Àº \[ \int^{t}_0 e^{i\omega_{mn} t'} dt' = \frac{e^{i\omega_{mn}t}-1}{i \omega_{mn}} \] ÀÌ´Ù. µû¶ó¼­ $n$ »óÅ·κÎÅÍ ÀÌ¿Í ´Ù¸¥ $m$ »óÅÂ($m\neq n$)·Î ÀüÀÌÇÒ È®·üÀº \[ \begin{equation} \label{eq:eq9} P_{nm}(t) = |c_m(t)|^2 = \frac{ |T_{mn}|^2 }{\hbar^2} \left[ \frac{\sin(\omega_{mn}t/2)}{\omega_{mn}/2} \right]^2 \end{equation} \] ÀÌ µÈ´Ù.

graph

¼·µ¿¿¡ ÀÇÇÑ ¿¡³ÊÁöÀÇ º¯È­_ ¼·µ¿¿¡ ÀÇÇØ ÀüÀÌ°¡ ÀϾ ¶§ ¿¡³ÊÁö º¯È­¿¡ ´ëÇÑ »ó´ëÀûÀÎ È®·ü·Î $\omega$¸¦ °¡·ÎÃàÀ¸·Î ³ªÅ¸³½´Ù. $t$ ½½¶óÀÌ´õ´Â °æ°ú½Ã°£À¸·Î ½Ã°£ÀÌ °æ°úÇÔ¿¡ µû¶ó ÷¿¹ÇÑ ±×·¡ÇÁ°¡ µÇ´Â °ÍÀ» ¾Ë ¼ö ÀÖ´Ù.

À§ ±×·¡ÇÁ´Â ½Ã°£ $t$¿¡ µû¸¥ ¿¡³ÊÁöÀÇ º¯È­È®·üÀ» ³ªÅ¸³»°í ÀÖ´Ù. $\omega = -\frac{2\pi}{t} \sim \frac{2\pi}{t}$ÀÇ ¹üÀ§¿¡ È®·üÀÌ ¹ÐÁýµÇ¾î ÀÖÀ¸¸ç ³ôÀÌ´Â $t^2$¿¡ ºñ·ÊÇÑ´Ù. µû¶ó¼­ ½Ã°£ÀÌ °æ°úÇÔ¿¡ µû¶ó Á¡Á¡ ±×·¡ÇÁ´Â ³ô¾ÆÁö¸ç, ÆøÀº Á¼¾ÆÁø´Ù. Àüü ¸éÀûÀº $t$¿¡ ºñ·ÊÇؼ­ $t \rightarrow \infty$·Î Á¢±ÙÇϸé $2\pi t \delta(\omega)$ÀÇ ÇÔ¼ö·Î Á¢±ÙÇÑ´Ù. ÀÌ °æ¿ì ´ÜÀ§½Ã°£ÀÇ ÀüÀÌÈ®·üÀº \[ \begin{equation} \label{eq:eq91} \mathcal{P}_{n\rightarrow m} = \lim_{t\rightarrow \infty}\frac{P_{nm}(t)}{t} = \frac{2\pi}{\hbar^2} |T_{mn}|^2 \delta(\omega_{mn}) \end{equation} \] ·Î µÈ´Ù. $\omega_{mn}$À» ¿¡³ÊÁö·Î ¹Ù²Ù°í, $T_{mn}=\langle m | A | n \rangle$¸¦ ÀÌ¿ëÇϸé, \[ \begin{equation*} {\large \boxed{ \mathcal{P}_{n\rightarrow m} = \frac{2\pi}{\hbar} |\langle m | A | n \rangle|^2 \delta(E_m - E_n) } } \end{equation*} \] ÀÌ µÈ´Ù.

ÁÖ±âÀûÀÎ ¼·µ¿ÀÌ ¾î¶² ¼ø°£ºÎÅÍ °É¸± ¶§

´ÙÀ½°ú °°ÀÌ ÁÖ±âÀûÀÎ ¼·µ¿Ç×ÀÌ °É¸®´Â °æ¿ì¸¦ »ý°¢ÇÏÀÚ. \[ \begin{equation} \label{eq:eq12} H_I(t) = \begin{cases} 0 & ~~ t \lt 0, \\ 2 A \cos \omega t = A (e^{i\omega t} + e^{-i\omega t}) & ~~t \ge 0. \end{cases} \end{equation} \] ÀÌÁ¦ $T_{mn}(t)= 2 T_{mn} \cos \omega t$·Î ÀÌÁ¦ºÎÅÍ $T_{mn}$¸¦ $A$¿¡ ´ëÇÑ Çà·Ä¿ä¼Ò¸¦ ³ªÅ¸³½ °ÍÀ¸·Î ÇÏÀÚ. \eqref{eq:eq8} ½ÄÀ¸·Î ºÎÅÍ $n \rightarrow m$ »óÅ·ΠÀüÀÌÇÒ È®·üÀ» °è»êÇϸé, \[ \begin{equation} \label{eq:eq10} P_{nm}(t) = \frac{ |T_{mn}|^2 }{\hbar^2} \left| \frac{e^{i(\omega_{mn}+\omega)t}-1}{i(\omega_{mn}+\omega)} + \frac{e^{i(\omega_{mn}-\omega)t}-1}{i(\omega_{mn}-\omega)} \right|^2 \end{equation} \] ÀÌ´Ù. ÀÌ ½Ä¿¡¼­ $ \omega_{mn}+\omega$ ³ª $ \omega_{mn}-\omega$°¡ °¢°¢ 0 ¿¡ °¡±î¿î $\omega_{m}$¿¡ ´ëÇؼ­ ÇØ´çÇ×ÀÌ ¸Å¿ì Ä¿Áö´Â µ¥ ÀÌ¿¡ µû¶ó µÎ °æ¿ì·Î ³ª´©¾î »ý°¢ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. Áï, \[ \omega_m \cong \omega_n - \omega \] ÀÏ ¶§´Â $\hbar \omega$ÀÇ ¿¡³ÊÁö¸¦ ¹æÃâÇÏ°í, \[ \omega_m \cong \omega_n + \omega \] ÀÏ ¶§´Â $\hbar \omega$ÀÇ ¿¡³ÊÁö¸¦ Èí¼öÇÏ´Â °ÍÀ¸·Î º¼ ¼ö ÀÖ´Ù. ¹æÃâÀÇ °æ¿ì \eqref{eq:eq10} ½ÄÀÇ ¾Õ Ç×ÀÌ Àý´ëÀûÀÌ°í, Èí¼öÀÇ °æ¿ì µÞ Ç×ÀÌ Àý´ëÀûÀ̾ ³ª¸ÓÁö¸¦ ¹«½ÃÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. µû¶ó¼­ \[ P_{nm}(t) \cong \frac{ |T_{mn}|^2 }{\hbar^2} \left[ \frac{\sin[(\omega_{mn}\pm \omega)t/2]}{(\omega_{mn} \pm \omega)/2} \right]^2 \] ¿©±â¼­ $t$°¡ Ä¿Á®¼­ $\infty$·Î Á¢±ÙÇϸé À§ ½ÄÀÇ $\{\dots\}^2$ Ç×Àº $2\pi t \delta(\omega_{mn}\pm \omega)$·Î Á¢±ÙÇÏ¿© È®·üÀÌ ½Ã°£ $t$¿¡ ºñ·ÊÇØÁø´Ù. ¾Õ¼­¿Í °°ÀÌ ´ÜÀ§½Ã°£´ç ÀüÀÌÇÒ È®·üÀ» ¿¡³ÊÁö·Î Á¤¸®Çϸé, \[ \begin{equation*} {\large \boxed{ \mathcal{P}_{n\rightarrow m} = \frac{2\pi}{\hbar} |\langle m | A | n \rangle|^2 \delta(E_m - E_n \pm \hbar \omega) } } \end{equation*} \] ÀÌ´Ù.



[Áú¹®1] \eqref{eq:eq8} ½ÄÀ» 2Â÷ ±Ù»ç±îÁö È®ÀåÇ϶ó.

[Áú¹®2] \eqref{eq:eq8} ½ÄÀ¸·ÎºÎÅÍ »óÅ°¡ ÀüÀÌÇÏÁö ¾Ê´Â $n\rightarrow n$ÀÇ È®·ü $P_{nn}(t)$À» °è»êÇ϶ó. ÀÌ°ÍÀÌ 1º¸´Ù Ä¿¼­ ¹®Á¦°¡ ÀÖ¾î º¸ÀδÙ. À̸¦ È®ÀÎÇÏ°í, ¿øÀΰú ÇØ¼Ò ¹æ¹ýÀ» ³íÀÇÇ϶ó.

[Áú¹®3] ´ÙÀ½À» Áõ¸íÇÏ°í À̷κÎÅÍ \eqref{eq:eq91} ½ÄÀ» ¸íÈ®È÷ Àü°³Ç϶ó. \[ \lim_{t\to \infty} \frac{\sin^2 tx}{tx^2} = \pi \delta(x),~~ \delta(ax) = \frac{1}{|a|}\delta(x) \]


_ ÁÖ±â_ ÀüÀÌ

Æ丣¹ÌÀÇ È²±Ý·ü

¾î¶² ¾çÀÚ»óÅ°¡ ¼·µ¿¿¡ ÀÇÇØ ¿¬¼ÓÀûÀÎ ¿¡³ÊÁö °íÀ¯»óÅ·ΠÀüÀÌÇÏ´Â È®·ü ¹ýÄ¢ÀÌ´Ù.

¼·µ¿ ¿¡³ÊÁö°¡ ¾î¶² ¼ø°£ºÎÅÍ ÀÏÁ¤ÇÏ°Ô ÁÖ¾îÁø´Ù°í ÇßÀ» ¶§ $n$¿¡¼­ $m$À¸·ÎÀÇ ÀüÀÌÈ®·üÀÌ \eqref{eq:eq9} ½ÄÀ¸·Î Á¤¸®µÇ¾ú´Ù. ½Ä¿¡¼­ $[\cdots]^2$ÀÇ Ç×Àº ½Ã°£ÀÌ Ä¿Áü¿¡ µû¶ó $\omega_{mn}$ÀÌ 0 ÁÖº¯¿¡¼­ »ÏÁ·ÇØÁö°í, $t\rightarrow \infty$À̸é $2\pi t \delta(\omega_{mn})$À¸·Î µÈ´Ù. ´ëü·Î »ÏÁ·ÇÑ ¹üÀ§´Â $2\pi/t$·Î ¿¡³ÊÁöÀÇ º¯µ¿À¸·Î Ç¥ÇöÇϸé \[ \Delta E \approx \frac{2\pi \hbar}{t} \] Á¤µµÀÌ´Ù. Áï ÀÌ Á¤µµ ¹üÀ§·Î ºñ¼·µ¿ ÇعÐÅä´Ï¾È $H_0$¿¡ ´ëÇÑ ¿¡³ÊÁö°¡ º¸Á¸µÈ´Ù.

ÀüÀÌ°¡ ¿¬¼Ó ½ºÆåÆ®·³ »óÅ·ΠÀϾ´Â °æ¿ì¸¦ »ý°¢ÇÏÀÚ. ÀÌ °æ¿ì´Â $m$·Î Ç¥±âÇÑ Æ¯Á¤ÇÑ »óÅ´ ¿¬¼Ó»óÅÂÀÇ Æ¯Á¤ÇÑ ¹üÀ§·Î ´ëÄ¡Çؼ­ »ý°¢ÇØ¾ß ÇÑ´Ù. Áï È®·üÀ» È®·ü¹Ðµµ·Î ´ëÄ¡ÇØ¾ß ÇÑ´Ù. $\omega_{mn}$ÀÌ ÀǹÌÀÖ´Â ¿µ¿ªÀÇ ÆøÀÌ $d\omega$¶ó ÇÏ°í, ÀÌ¿¡ ÇØ´çÇÏ´Â ¿¬¼ÓÀûÀÎ ¿¡³ÊÁöÀÇ ÆøÀ» $dE_m$À̶ó Çϸé ÀÌ¿¡ ¼ÓÇÏ´Â »óżö´Â \[ dN = g(E_m) dE_m \] ÀÌ´Ù. ¿©±â¼­ $g (E_m)$´Â $m$ ÁÖº¯¿¡¼­ ´ÜÀ§¿¡³ÊÁöÀÇ Æø¿¡ ´ëÇÑ »óżö·Î »óŹеµ(density of state)¶ó°í ÇÑ´Ù. $m$ ÁÖº¯ ¿µ¿ªÀ¸·Î ÀüÀÌÇÏ´Â ÀüÀÌÀ²(transition rate)Àº \[ \mathcal{W}_{n\rightarrow m} = \frac{1}{t}\sum_{m'} P_{nm'}(t) \] À¸·Î, ¿©±â¼­ $m'$´Â $m$ÀÇ ÁÖº¯ÀÌ´Ù. ÀÌ ¿µ¿ªÀÌ ½ÇÀº ¿¬¼Ó ½ºÆåÆ®·³À̹ǷΠ$\sum$ÀÌ $\int$·Î ´ëÄ¡µÇ¾î \[ \mathcal{W}_{n\rightarrow m} = \frac{1}{t}\int P_{nm'}(t) g (E_{m'}) dE_{m'} = \frac{1}{t\hbar^2} \int |T_{m'n}|^2 \left[ \frac{\sin(\omega_{m'n}t/2)}{\omega_{m'n}/2} \right]^2 g (E_{m'}) dE_{m'} \] ¿©±â¼­ ÀûºÐ¿¡ ±â¿©ÇÏ´Â ¿µ¿ªÀº $\Delta E$ÀÇ ¾ÆÁÖ Á¼Àº ¹üÀ§·Î ±¹Çѵǰí $T_{m'n}$µµ $m'$¿¡ ¹«°üÇÏ´Ù°í »ý°¢ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. ¶ÇÇÑ $[\dots]^2$ ÇÔ¼öÀÇ Æ¯¼º»ó ÀûºÐÀ» Àü°ø°£À¸·Î È®ÀåÇصµ ¹«¹æÇÏ´Ù. µû¶ó¼­ \[ \mathcal{W}_{n\rightarrow m} = \frac{|T_{mn}|^2}{\hbar} g (E_{m}) ~t \int^{-\infty}_{\infty} d\omega \left[ \frac{\sin(\omega t/2)}{\omega t/2} \right]^2 \] Áï \[ \begin{equation} \label{eq:eq13} {\large \boxed{ \mathcal{W}_{n\rightarrow m} = \frac{2\pi}{\hbar} |\langle m |A| n \rangle|^2 g (E_{m}) \Big|_{E_m=E_n} } } \end{equation} \] ÀÌ´Ù. ÀÌ ½ÄÀº Æ丣¹Ì¿¡ ÀÇÇØ À¯µµµÇ¾î Æ丣¹ÌÀÇ È²±Ý·ü(Fermi's golden rule)À̶ó ÇÑ´Ù.

\eqref{eq:eq12} ½Äó·³ ÁÖ±âÀûÀÎ ¼·µ¿ÀÌ °É¸®´Â °æ¿ìµµ ÀÌ¿Í ºñ½ÁÇÏ°Ô ³í¸®¸¦ Àü°³ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. À̶§ ¾Õ¼­ÀÇ ${E_m=E_n}$ÀÇ Á¶°ÇÀÌ ${E_m=E_n\pm \hbar \omega}$À¸·Î ´Þ¶óÁö´Â µ¥ ÀÌ´Â °É·ÁÀÖ´Â ÆÛÅټȷκÎÅÍ $\hbar \omega$ÀÇ ¿¡³ÊÁö¸¦ ¹æÃâÇϰųª Èí¼öÇϱ⠶§¹®ÀÌ´Ù. \[ \begin{equation} \label{eq:eq14} {\large \boxed{ \mathcal{W}_{n\rightarrow m} = \frac{2\pi}{\hbar} |\langle m |A| n \rangle|^2 g (E_{m}) \Big|_{E_m=E_n\pm \hbar \omega} } } \end{equation} \]

$\mathcal{P}_{n\rightarrow m}$´Â ƯÁ¤»óÅ $n$ÀÌ ´Ù¸¥ ƯÁ¤»óÅ $m$À¸·Î ÀüÀÌÇÏ´Â ´ÜÀ§½Ã°£´ç ÀüÀÌ·ü·Î ¿¡³ÊÁöº¸Á¸ Á¶°ÇÀÌ $\delta$ ÇÔ¼ö·Î ºÎ°úµÇ¾î ÀÖ´Ù. ¹Ý¸é¿¡ Ȳ±Ý·ü¿¡¼­ÀÇ $\mathcal{W}_{n\rightarrow m}$Àº ƯÁ¤»óÅ $n$ÀÌ $m$ »óÅ ÁÖº¯ ´ÜÀ§¿¡³ÊÁö Æø¿¡ ´ëÇØ ´ÜÀ§½Ã°£´ç ÀüÀÌ·üÀÌ´Ù. ½ÄÀÇ ¸»¹Ì¿¡ ¸í½ÃÀûÀ¸·Î ³ªÅ¸³½ °Íó·³ ¿¡³ÊÁöº¸Á¸ÀÌ ´ç¿¬È÷ ¸¸Á·µÇ´Â °ÍÀ» ÀüÁ¦ÇÑ´Ù. $\mathcal{W}_{n\rightarrow m}$ÀÇ Ç¥ÇöÀº ÃÖÁ¾»óÅÂÀÎ $m$ÀÌ ¿¬¼Ó ½ºÆåÆ®·³À» °¡Áú ¶§ ƯÈ÷ À¯¿ëÇÏ´Ù. ÇÑÆí, ³ÐÀº ¶æÀ¸·Î´Â $\mathcal{P}_{n\rightarrow m}$À̳ª $\mathcal{W}_{n\rightarrow m}$ÀÇ °ü°è½Ä ¸ðµÎ¸¦ Æ丣¹ÌÀÇ È²±Ý·üÀ̶ó Çϱ⵵ ÇÑ´Ù.


_ »óŹеµ_ È®·ü¹Ðµµ_ Æ丣¹Ì_ ÁÖ±â_ ÀüÀÌ



Copyright ¨Ï 1999~ physica.gnu.ac.kr All rights reserved