• Nie Znaleziono Wyników

Kwantowy gaz Fermiego

Dodatek własny A - Całki Gaussa

Rozdział 7 Całki po trajektoriach : fermiony

7.10 Kwantowy gaz Fermiego

W pierwszej kolejności, należy uogólnić powyżej uzyskane wyniki na przypadek niezależnych fermionów, kiedy to możliwe stany kwantowe należą do przestrzeni Hilberta, a nie skończenie wymiarowej zespolonej przestrzeni wektorowej. Następnie włączymy do naszej analizy i przypadek fermionów oddziałujących. W danym podrozdziale pokażemy, jak wystarczająco proste uogólnienia całki po trajektoriach z podrozdziału 7.9 pozwala wyrazić sumę statystyczną nierelatywistycznych układów fermionowych w postaci całki polowej lub funkcjonalnej (w tym przypadku należy całkować po polach grassmannowskich ).

7.10.1 Niezależne fermiony : przestrzeń Hilberta.

Jak już zauważyliśmy, założenie o skończonym wymiarze przestrzeni wektorowej stanów jednocząstkowych jest zbyt sztywnym ograniczeniem, ponieważ w takim przypadku całkowita liczba fermionów jest ograniczona. W bardziej interesujących zastosowaniach należy zamienić dla stanów jednoczątkowych przestrzenie skończeniewymiarowe na przestrzenie Hilberta. Wtedy równanie stanu tak jak wcześniej może być zapisane w postaci (7.88) :

< N > = tr { 1/ exp[ β(H(1) – µ ) + 1] } ale teraz H(1) – jest jednocząstkowym kwantowym hamiltonianem o ogólnej postaci.

W charakterze ilustracji rozpatrzymy gaz swobodnych fermionów w pojemniku o jednakowych rozmiarach L we wszystkich wymiarach n, zatem o objętości Ld ,d – liczba wymiarów przestrzennych.

Jednocząstkowy kwantowy hamiltonian jest to : H(1) = p^2 /2m

W pojemniku pędy są skwantowane, przy czym konkretna postać zależna jest od warunków granicznych.

Wykorzystując, dla wygody periodyczne warunki graniczne, chociaż nie odgrywa to roli w niniejszej analizie, otrzymamy :

p = 2πhn/ L , n ∈ Zd

a odpowiadająca takiemu pędowi energia ma wartość E = p2/2m.

Wyprowadzenie równania stanu w d wymiarach przestrzennych wynika z argumentacji, przedstawionej w podrozdziale 6.8.2. W granicy nieskończonej objętości L → ∞ dla gęstości otrzymamy :

ρ(β, µ ) = < N > / Ld = [1/ (2πd)d ]

ddp / exp[ β( p2/2m – µ)] + 1 (7.89) L→∞

W szczególności, w przestrzeni izotropowej powierzchnie Fermiego – jest to sfera p2/2m = µ.

7.10.2 Fermiony oddziałujące : całka po polach.

Teraz rozpatrzymy hamiltonian H, zawierający w sobie oddziaływanie, z podrozdziału 6.9, mający postać (6.85) w n- cząstkowej przestrzeni i podlegający tej samej strategii. Jedyną różnicą jest to, że teraz mamy do czynienia z układami fermionowymi, zatem funkcje falowe ψn są antysymetryczne. Zatem, argumentami funkcjonału tworzącego powinny być funkcje ϕ(x), będące tworzącymi nieskończenie wymiarowej algebry Grassmanna i spełniające zależność : ϕ(x)ϕ(x’) + ϕ(x’)ϕ(x) = 0

Zdefiniujmy funkcjonał :

Ψ(ϕ) = Σ (1/n!) [

∫ Π

ddxi ϕ(xi )] ψn( x1, ... , xn ) (7.90) n=0

Teraz realizacja reprezentacji w postaci całki polowej wynika z argumentacji, opisanej dla przypadku bozonowego w podrozdziale 6.9, za tym wyjątkiem, że należy z uwagą śledzić uporządkowanie czynników w iloczynach polowych oraz znaki takich iloczynów.

Iloczyn skalarny dwóch funkcjonałów tworzących zdefiniowany jest z użyciem grassmannowskiej całki po polach, uogólniającej wyrażenie (7.41) :

( Ψ1,Ψ2 ) =

[dϕ(x) dϕ–(x)] Ψ†

1(ϕ)Ψ2(ϕ) exp[

ddx ϕ–(x)ϕ(x) ]

Odpowiednie jądro operatora jednostkowego, uogólniające wyrażenie (7.44) ma postać :

I(ϕ, ϕ– ) = exp[ –

ddx ϕ–(x)ϕ(x)] (7.91)

Formalne wyrażenie dla członu kinetycznego jest takie samo, jak w przypadku bozonowym (zobacz podrozdział 6.9) Składowa potencjalna również pozostaje bez zmian, jednakże z określonym uporządkowaniem pól w iloczynach. W oznaczeniach z podrozdziału 7.8 hamiltonian ma reprezentacje w postaci jądra :

< ϕ | H | ϕ– > = H(ϕ, ϕ– ) I(ϕ, ϕ– ) gdzie

H(ϕ, ϕ– ) = –(h2/2m)

ddx ϕ(x) ∇x2 ϕ–(x) + ½

ddx ddy ϕ(x)ϕ(y) V(x – y)ϕ–(x)ϕ–(y) (7.92) Reprezentacja sumy statystycznej gazu Fermiego w postaci całki polowej ma postać :

Z(θ/h ) = tr U(τ/2, –τ/2 ) =

(dϕ(t,x) dϕ–(t,x)] exp[ –S(ϕ–,ϕ )/h ] (7.93) z aperiodycznymi warunkami granicznymi :

ϕ(τ/2, x ) = –ϕ(–τ/2,x ) ; ϕ–(τ/2, x) = –ϕ–(– τ/2, x) i działaniem euklidesowym :

S(ϕ, ϕ– ) =

dt ddx ϕ–(t, x) [ h ∂/∂t + (h2/2m)∇x2 + µ ] ϕ(t, x ) +

+ ½

dt ddx ddy ϕ–(t, x)ϕ(t, x) V(x – y)ϕ–(t, y)ϕ(t, y) (7.94) 7.10.3 Równanie stanu.

W pierwszej kolejności przekonamy się, że w swobodnej teorii pola równanie stanu sprowadza się do równania (7.89) dla swobodnych fermionów, a następnie krótko omówimy wpływ oddziaływania.

Swobodna teoria pola. Działanie swobodnej teorii pola sprowadza się do : S(ϕ, ϕ– ) =

dt ddx ϕ–(t, x) [ h ∂/∂t + (h2/2m)∇x2 + µ ] ϕ(t, x )

Dogodna reprezentacje otrzymamy z pomocą wprowadzenia przekształcenia Fouriera pola : ϕ(t, x ) =

ddpexp(ipx/h ) ϕ~(t, p)

ϕ– (t, x ) =

ddp exp(–ipx/h ) ϕ~†(t, x)

W takim przypadku forma kwadratowa w działaniu może być zdiagonalizowana, a działanie przyjmie postać : S(ϕ, ϕ– ) = (2πh)d

dt ddp ϕ~†(t, p) [ h ∂/∂t – (p2/2m)+ µ ] ϕ~(t, p)

W swobodnej (gaussowskiej ) teorii wszystkie wielkości mogą być wyrażone poprzez funkcje dwupunktową.

Wykorzystując wynik (7.75), otrzymamy :

< ϕ~†(t, p), ϕ~(t’, p’ ) > = [ 1/(2πh)d ] ∆(t – t’, p ) δd(p – p’ ) gdzie

∆(t, p ) = ½ exp[ –ω(p)t/h] {sgn(t) + [ sh( ½ω(p)τ/h ) / ch( ½ω(p)τ /h) ]}

oraz ω(p) = (p2/2m) – µ

Równanie stanu otrzymujemy na drodze różniczkowania sumy statystycznej (7.93). Jeśli mamy do czynienia z periodycznym pojemnikiem o wymiarze liniowym L, to dla gęstości otrzymamy :

ρ(β, µ ) = (1/βLd ) ∂ ln Z/∂µ = (1/βLdh )

dt ddx < ϕ(t, x)ϕ–(t, x) > = < ϕ(0,0) ϕ–(0,0) >

gdzie wykorzystano translacyjną inwariantność w przestrzeni i czasie.

Wprowadzając przekształcenia Fouriera dla pól, otrzymamy :

ρ(β, µ ) = –

ddp ddp’ < ϕ–†(0, p)ϕ~(0, p’) > = – [ 1/(2πh)d ]

ddp ∆(0, p ) =

= – [ 1/(2πh)d ]

ddp ½ {sgn(0) + [ sh( ½βω(p)) / ch( ½βω(p))] }

Dane wyrażenie pokrywa się z wynikiem (7.89), otrzymanym bezpośrednio, kiedy sgn(0) przyjmujemy równym –1 i w innych przypadkach różni się od niego na nieskończoną stałą, którą należy wyeliminować, dodając do działania stałą, liniową po µ.

Oddziaływania : δ – funkcjonalny potencjał. Interesujący przykład z oddziaływaniem otrzymamy, kiedy potencjał dwu cząstkowy ma postać :

V(x) = gδ(x)

W takim przypadku działanie staje się lokalne, w tym sensie, że reprezentuje sobą całkę od gęstości lagranżjanu, zależnej tylko od pól i ich pochodnych. W przypadku fermionów bez wewnętrznych stopni swobody oddziaływanie dwu

cząstkowe zeruje się, ponieważ do niego wchodzą kwadraty zmiennych Grassmanna i fermiony okazują się być swobodne.

Bardziej interesujący przykład pojawia się w przypadku układów, w których fermiony posiadają wewnętrzny stopień swobody z dwoma możliwymi wartościami (np. spin elektronu ).

W takim przypadku działanie zależy od dwóch par pól ϕα(t, x), α = 1, 2 i oddziaływanie już nie zeruje się :

Wtedy działanie i odpowiednia całka polowa są inwariantne względem przekształceń unitarnych : ϕα → Σ Uαβ ϕβ , ϕ–

α → Σ U†αβ ϕ– β β β

gdzie UU† = 1

W istocie, człon kinetyczny – jest to zespolony iloczyn skalarny i dla oddziaływania otrzymamy | det U |2 = 1.

Dana symetria reprezentuje sobą kombinacje U(1) – symetrii zachowania liczby cząstek i symetrii grupy spinowej SU(2).

W przypadku jednowymiarowym taki układ kwantowy jest w pełni całkowalny, w tym sensie, że wszystkie stany własne hamiltonianu są kombinacjami liniowymi skończonej liczby fal płaskich (ansatz Bethego )

Na koniec, zauważmy że dla takiego układu możemy wprowadzić uogólnienie relatywistyczne – model Thirringa, który jest również całkowalny w przypadku jednego wymiaru przestrzennego.

Przybliżenie średniego pola. Interesująca fizyka jest związana z potencjałem przyciągania tj. g < 0. Jednakże w przeciwieństwie do przypadku bozonowego, metoda najszybszego spadku nie daje bezpośrednio rozwiązania danego zagadnienia. Możliwa strategia polega na tym, aby wprowadzić wspomagające pole bozonowe χ(t, x) i przepisać poczwórne oddziaływanie fermionowe w postaci całki po χ z działaniem, kwadratowym po fermionach.

Całka fermionowa staje się całką Gaussa i można ja obliczyć. Pozostała całka po χ może być obliczona przy pomocy metody najszybszego spadku.

7.10.4 Rzeczywiste całki Gaussa. Twierdzenie Wicka.

Całki Gaussa, które obliczaliśmy w podrozdziale 7.4, posiadają własności analogiczne do własności całek zespolonych formalizmu holomorficznego z podrozdziału 6.1. Kiedy liczba fermionów nie jest zachowana, pojawia się konieczność rozpatrzenia również całek ogólniejszej postaci, w szczególności całek gaussowskich o postaci :

2n

Z(A) =

dθ2n ... dθ2dθ1 exp( ½ Σ θi Aijθj ) (7.96)

i,j=1

Ponieważ iloczyn θiθj jest antysymetryczny po (ij), to macierz Aij można wybrać jako antysymetryczną :

Aij + Aji = 0 (7.97)

W przeciwieństwie do rozpatrywanych do tej pory całek, teraz omawiane całki posiadają własności, analogiczne do własności całek gaussowskich (1.4). W szczególności, w przypadku ogólnym są one rzeczywiste tylko wtedy, kiedy algebra Grassmanna jest określona na liczbach rzeczywistych.

Rozkładając eksponente w szereg potęgowy, możemy zauważyć, że tylko człon rzędu n, zawierający wszystkie iloczyny potęg 2n po θ daje niezerowy wkład :

Z(A) = (1/2nn!)

dθ2n ... dθ2dθ1 ( θi Aijθj )n (7.98)

W rozkładzie iloczynu tylko człony, zawierające permutacje θ1... θ2n są różne od zera.

Komutujac zmienne grassmannowskie aby sprowadzić wszystkie iloczyny do postaci standardowej θ1θ2 ... θ2n, otrzymamy :

Z(A) = (1/2nn!) Σ ε(P) Ai1i2 Ai3i4 … Ai2n–1i2n (7.99)

Permutacje P zbioru {i1... i2n }

gdzie ε(P) = ± 1 – sygnatura permutacji.

Wyrażenie to możemy jeszcze uprościć, zauważając, że różniące się człony odpowiadają wszystkim możliwym parowaniom indeksów 1, 2, ... 2n.

Wielkość w prawej części nazywa się pfaffianem macierzy antysymetrycznej A.

Będziemy wykorzystywali następujące oznaczenie :

Z(A) = Pf(A) (7.101)

Pfaffian i wyznacznik. Technika całkowania grassmannowskiego pozwala wprowadzić klasyczną tożsamość

Wynik ten bardzo przypomina analogiczny rezultat dla rzeczywistych całek gaussowskich.

Aby dowieść taką tożsamość, rozpatrzymy :

Jakobian takiego przekształcenia jest równy (–1)n. Oprócz tego :

θi θj + θ’iθ’j = η–i η–j – η–j ηi (7.105)

Twierdzenie Wicka. Możemy również otrzymać inna formę twierdzenia Wicka dla średnich gaussowskich względem miary exp( Σi,j ½ θi Aijθj )/ Z. Znajdujemy :

Zauważmy, że powyższe wyrażenie różni się od twierdzenia Wicka (1.17) tylko znakami.