В квантовой физике золотое правило Ферми — это формула, описывающая скорость перехода (вероятность перехода за единицу времени) из одного собственного энергетического состояния квантовой системы в группу собственных энергетических состояний в континууме в результате слабого возмущения . Эта скорость перехода фактически не зависит от времени (при условии, что сила возмущения не зависит от времени) и пропорциональна силе связи между начальным и конечным состояниями системы (описываемой квадратом матричного элемента возмущения), а также плотности состояний . Она также применима, когда конечное состояние дискретно, т. е. не является частью континуума, если в процессе присутствует некоторая декогеренция , например релаксация или столкновение атомов, или например шум в возмущении, в этом случае плотность состояний заменяется обратной величиной ширины полосы декогеренции.
Историческая справка
Хотя правило названо в честь Энрико Ферми , большая часть работы, приведшей к нему, принадлежит Полю Дираку , который двадцатью годами ранее сформулировал практически идентичное уравнение, включающее три компонента константы, матричный элемент возмущения и разность энергий. [1] [2] Оно получило такое название, потому что, учитывая его важность, Ферми назвал его «золотым правилом № 2». [3]
Большинство случаев использования термина «золотое правило Ферми» относится к «золотому правилу № 2», но «золотое правило Ферми № 1» имеет схожую форму и учитывает вероятность непрямых переходов в единицу времени. [4]
Ставка и ее вывод
Золотое правило Ферми описывает систему, которая начинается в собственном состоянии невозмущенного гамильтониана H 0 и учитывает влияние возмущающего гамильтониана H', примененного к системе. Если H' не зависит от времени, система переходит только в те состояния в континууме, которые имеют ту же энергию, что и начальное состояние. Если H' колеблется синусоидально как функция времени (т.е. это гармоническое возмущение) с угловой частотой ω , переход происходит в состояния с энергиями, которые отличаются на ħω от энергии начального состояния.
В обоих случаях вероятность перехода за единицу времени из начального состояния в набор конечных состояний по существу постоянна. Она задается, в первом приближении, как ,
где — матричный элемент (в скобках ) возмущения H' между конечным и начальным состояниями, а — плотность состояний (число состояний континуума, деленное на в бесконечно малом интервале энергий до ) при энергии конечных состояний. Эта вероятность перехода также называется «вероятностью распада» и связана с обратной величиной среднего времени жизни . Таким образом, вероятность нахождения системы в состоянии пропорциональна .
Стандартный способ вывода уравнения — начать с теории возмущений, зависящих от времени, и взять предел для поглощения, предполагая, что время измерения намного больше времени, необходимого для перехода. [5] [6]
Только величина матричного элемента входит в золотое правило Ферми. Фаза этого матричного элемента, однако, содержит отдельную информацию о процессе перехода. Она появляется в выражениях, которые дополняют золотое правило в подходе полуклассического уравнения Больцмана к переносу электронов. [9]
В то время как Золотое правило обычно формулируется и выводится в терминах выше, волновая функция конечного состояния (континуума) часто описывается довольно расплывчато и не нормируется правильно (а нормализация используется при выводе). Проблема в том, что для создания континуума не может быть никакого пространственного ограничения (которое обязательно дискретизировало бы спектр), и поэтому волновые функции континуума должны иметь бесконечную протяженность, и, в свою очередь, это означает, что нормализация бесконечна, а не равна единице. Если взаимодействия зависят от энергии состояния континуума, но не от каких-либо других квантовых чисел, обычно нормализуют волновые функции континуума с энергией , обозначенной , записывая где - дельта-функция Дирака , и фактически множитель квадратного корня плотности состояний включается в . [10] В этом случае волновая функция континуума имеет размерность , и Золотое правило теперь имеет
вид , где относится к состоянию континуума с той же энергией, что и дискретное состояние . Например, правильно нормированные волновые функции континуума для случая свободного электрона вблизи атома водорода доступны в работах Бете и Солпитера. [11]
Нормализованный вывод в теории возмущений, зависящих от времени
Нижеследующее перефразирует трактовку Коэна-Тануджи. [10] Как и прежде, полный гамильтониан является суммой «исходного» гамильтониана H 0 и возмущения: . Мы по-прежнему можем разложить временную эволюцию произвольного квантового состояния в терминах собственных энергетических состояний невозмущенной системы, но теперь они состоят из дискретных состояний и состояний континуума. Мы предполагаем, что взаимодействия зависят от энергии состояния континуума, но не от каких-либо других квантовых чисел. Разложение в соответствующих состояниях в картине Дирака имеет вид ,
где , и являются энергиями состояний , соответственно. Интеграл берется по континууму , т.е. находится в континууме.
Подстановка в зависящее от времени уравнение Шредингера
и предварительное умножение на дает ,
где , а предварительное умножение на дает
Мы использовали нормализацию . Интегрируя последнее и подставляя в первое,
Здесь можно увидеть, что в момент времени зависит от во все более ранние моменты времени , т.е. оно немарковское . Мы делаем марковское приближение, т.е. что оно зависит только от в момент времени (что менее ограничительно, чем приближение, использованное выше, и позволяет возмущению быть сильным)
где и . Интегрируя по ,
Дробь справа является зарождающейся дельта -функцией Дирака , то есть она стремится к как (игнорируя ее мнимую часть, которая приводит к незначительному сдвигу энергии, в то время как действительная часть производит распад [10] ). Наконец ,
которое может иметь решения: , т.е. распад популяции в начальном дискретном состоянии равен
где
Приложения
Полупроводники
Золотое правило Ферми можно использовать для расчета вероятности перехода электрона, возбуждаемого фотоном из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике с прямой запрещенной зоной, а также для случая, когда электрон рекомбинирует с дыркой и испускает фотон. [12] Рассмотрим фотон с частотой и волновым вектором , где соотношение дисперсии света равно , а — показатель преломления.
Используя калибровку Кулона, где и , векторный потенциал света определяется выражением , где результирующее электрическое поле равно
Для электрона в валентной зоне гамильтониан равен ,
где — потенциал кристалла, а — заряд и масса электрона, а — оператор импульса. Здесь мы рассматриваем процесс с участием одного фотона и первого порядка по . Результирующий гамильтониан равен ,
где — возмущение света.
Отсюда мы рассматриваем вертикальный оптический дипольный переход и, таким образом, имеем вероятность перехода, основанную на зависящей от времени теории возмущений,
где
— вектор поляризации света. и — волновая функция Блоха начального и конечного состояний. Здесь вероятность перехода должна удовлетворять закону сохранения энергии, заданному выражением . Из возмущения очевидно, что суть расчета заключается в матричных элементах, показанных в скобках.
Для начального и конечного состояний в валентной зоне и зоне проводимости мы имеем и , соответственно, и если оператор не действует на спин, электрон остается в том же спиновом состоянии, и, следовательно, мы можем записать волновую функцию Блоха начального и конечного состояний как
где - число элементарных ячеек с объемом . Вычисляя с использованием этих волновых функций и фокусируясь на излучении ( фотолюминесценции ), а не на поглощении, мы приходим к скорости перехода
, где определяемая как дипольный момент оптического перехода, является качественно ожидаемым значением и в этой ситуации принимает вид
Наконец, мы хотим узнать общую скорость перехода . Следовательно, нам нужно просуммировать по всем возможным начальным и конечным состояниям, которые могут удовлетворить закону сохранения энергии (т.е. интегралу зоны Бриллюэна в k -пространстве), и учесть вырождение спина, что после вычисления приводит к
где — совместная плотность состояний валентности и проводимости (т.е. плотность парных состояний; одно занятое валентное состояние, одно пустое состояние проводимости). В 3D это,
но совместная DOS отличается для 2D, 1D и 0D.
Отметим, что в общем виде золотое правило Ферми для полупроводников можно выразить как [13]
Аналогичным образом, стационарный постоянный фототок с амплитудой, пропорциональной квадрату поля света, равен
, где - время релаксации, а - разность групповой скорости и распределения Ферми-Дирака между возможными начальными и конечными состояниями. Здесь определяет оптический диполь перехода. Из-за коммутационного соотношения между положением и гамильтонианом мы также можем переписать диполь перехода и фототок в терминах матрицы оператора положения, используя . Этот эффект может существовать только в системах с нарушенной симметрией инверсии, и ненулевые компоненты фототока могут быть получены с помощью соображений симметрии.
Сканирующая туннельная микроскопия
В сканирующем туннельном микроскопе для вывода туннельного тока используется золотое правило Ферми. Оно имеет вид
где — элемент туннельной матрицы.
Квантовая оптика
При рассмотрении переходов энергетических уровней между двумя дискретными состояниями золотое правило Ферми записывается как
где — плотность состояний фотона при заданной энергии, — энергия фотона , — угловая частота . Это альтернативное выражение основано на том факте, что существует континуум конечных (фотонных) состояний, т. е. диапазон разрешенных энергий фотона непрерывен. [14]
эксперимент Дрексхаге
Золотое правило Ферми предсказывает, что вероятность того, что возбужденное состояние распадется, зависит от плотности состояний. Это можно увидеть экспериментально, измерив скорость распада диполя вблизи зеркала: поскольку присутствие зеркала создает области с более высокой и более низкой плотностью состояний, измеренная скорость распада зависит от расстояния между зеркалом и диполем. [15] [16]
Смотрите также
Экспоненциальный спад – снижение стоимости со скоростью, пропорциональной текущей стоимости.
^ Bransden, BH; Joachain, CJ (1999). Квантовая механика (2-е изд.). Prentice Hall. стр. 443. ISBN 978-0582356917.
↑ Дирак, ПАМ (1 марта 1927 г.). «Квантовая теория испускания и поглощения излучения». Труды Королевского общества A. 114 ( 767): 243–265. Bibcode : 1927RSPSA.114..243D. doi : 10.1098/rspa.1927.0039 . JSTOR 94746.См. уравнения (24) и (32).
^ Ферми, Э. (1950). Ядерная физика . Издательство Чикагского университета. ISBN978-0226243658.формула VIII.2
^ Ферми, Э. (1950). Ядерная физика . Издательство Чикагского университета. ISBN978-0226243658.формула VIII.19
^ Заметки Р. Швиттерса UT о выводе.
^ Примечательно, что скорость постоянна и не линейно увеличивается со временем, как можно было бы наивно ожидать для переходов со строгим соблюдением закона сохранения энергии. Это происходит из-за интерференции колебательных вкладов переходов в многочисленные состояния континуума с лишь приблизительным невозмущенным сохранением энергии, см. Wolfgang Pauli , Wave Mechanics: Volume 5 of Pauli Lectures on Physics (Dover Books on Physics, 2000) ISBN 0486414620 , стр. 150–151.
^ Ландау, Л. Д. и Лифшиц, Э. М. (2013). Квантовая механика: нерелятивистская теория (т. 3). Elsevier.
^ Ю, Питер Ю.; Кардона, Мануэль (2010). Основы полупроводников - Физика и свойства материалов (4-е изд.). Springer. стр. 260. doi :10.1007/978-3-642-00710-1. ISBN978-3-642-00709-5.
^ Эдвинссон, Т. (2018). «Оптическое квантовое ограничение и фотокаталитические свойства в двумерных, одномерных и нульмерных наноструктурах». Royal Society Open Science . 5 (9): 180387. Bibcode :2018RSOS....580387E. doi :10.1098/rsos.180387. ISSN 2054-5703. PMC 6170533 . PMID 30839677.
^ Фокс, Марк (2006). Квантовая оптика: Введение . Оксфорд: Oxford University Press. стр. 51. ISBN9780198566731.
^ К. Х. Дрексхаге; Х. Кун; Ф.П. Шефер (1968). «Изменение времени затухания флуоресценции молекулы перед зеркалом». Berichte der Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie . 72 (2): 329. doi :10.1002/bbpc.19680720261. S2CID 94677437.
^ KH Drexhage (1970). «Влияние диэлектрического интерфейса на время затухания флуоресценции». Журнал люминесценции . 1 : 693–701. Bibcode :1970JLum....1..693D. doi :10.1016/0022-2313(70)90082-7.
Внешние ссылки
Дополнительная информация о золотом правиле Ферми
Вывод золотого правила Ферми
Теория возмущений, зависящих от времени
Золотое правило Ферми: его вывод и обоснование с помощью идеальной модели