量子统计物理¶
1. density matrix¶
对于混合态的作用算符 \(\hat{F}\) ,理论上计算期望得到:
插入投影算符
定义矩阵元
得到期望值
我们定义密度矩阵:
于是混合态期望可表示为:
后面的事情在基础量子就学过:
只有纯态是等号成立。作为一个例子,对于
对应密度矩阵
含时 Schrodinger 方程给出
对密度算符求导:
这是 Liouville 方程。
2. ensemble¶
2.1 Classical Statistic¶
相空间的哈密顿量:
固定能量
于是对应密度函数
这意味着密度函数就是这样一个微小相空间的体积倒数。
2.2 Microcanonical ensemble¶
consider in QM, one can define
where \(\Gamma\) means the phase space volume of a shallow curve between \(E\) and \(E+\Delta E\).
define a func
do transform
$$ \begin{align} \hat{ \rho } & = \sum_i p_i\op{ \psi _i }{ \psi _i } \ & = \sum_i \Gamma ^{-1}( E, N, V )\Delta( E_i-E )\op{ \psi _i }{ \psi _i } \ & = \Gamma ^{-1}( E, N, V ) \sum_i\Delta( \hat{H}-E )\op{ \psi _i }{ \psi _i } \ & = \Gamma ^{-1}( E, N, V ) \Delta( \hat{H}-E )
\end{align} $$
我们考虑其对数期望
选定
因此矩阵为对角,同样 \(\ln \rho\) 也对角。于是有:
于是可以定义熵,它和态的总数正相关
接下来计算哈密顿量
and
we found the eqn is self-consisted.
as definition, the equilibrium state def as when
我们假设有两个体系,分别为 A 和 A‘。外部能量分别为 E 和 E‘。有
假定这两个体系之间可以互相传递能量。对于相空间
当熵最大时,一定有:
也就是:
we got
带入到熵的定义得到
现在,我们假设系统的体积同样也会发生变化。很容易得到相同的等式:
于是得到基本方程:
2.3 Canonical Ensemble¶
前面我们已知
c 插入到密度矩阵表达式:
这可以导出经典热力学的很多等式:
还有一个特征的熵等式:
这于是可以导出热力学第三定律,也就是 0K 下只有基态
导致系统变为纯态。此时 \(S=0\) .
和经典统计类似,也可以换成按能量的统计。定义态密度
通过积分计算
举例:对于有 \(N\) 个量子谐振子形成的系统
由于每个谐振子都是独立的,我们可以把它拆成独立的哈密顿量
于是就可以拆开能量和波函数
从经典统计里面,我们拿到公式(这里还没证明):
然后得到。。。
2.4 Grand Canonical¶
现在我们考虑一个能量和粒子都会交换的体系,此时需要新增一个交换约束
根据同样的方法可以得到
同样假设外部粒子库的态密度是极高的,因此理论有:
对 \(\ln \Gamma\) 展开:
由此定义
得到巨配分函数:
用量子力学的语言表示:
密度矩阵
计算离子数
又有对于对应的密度矩阵元
对应的
也就是
对于能量:
。。。
另一种通过逸度的定义
之后的大部分推理方法与经典类似,不再赘述。有一个不同的是熵的推导
考虑一个由 \(N\) 个能级 \(\{n_{1},n_{2},\cdots ,n_N\}\) 组成的巨正则系综,其中个能级的粒子数可能出现 \(0 \sim \infty\) 个
3. Quantum Gases¶
ideal quantum gas¶
对 \(\infty\) 个能级分布的 \(N\) 个粒子数采取粒子数表象
这里的 \(i\) 指的是一种抽象的 \(N\) 粒子排布方式。考虑巨正则配分函数
展开算子
Bosons
Fermions
因此我们不能直接拆波函数,必须拆成对称性轮换形式。利用置换算子 \(P\) 统计所有交换粒子位置之后的波函数城际
Boson
Fermions
对于 Fermion,还可以用Slater行列式来定义,因为行列式交换行会导致符号反转
当存在两行相同时,则行列式变为0. 这就对应Pauli不相容原理
之后量子统计方法和经典相同··
晶格中的统计见固体物理
ideal usal bose gas¶
total particle number $$ \begin{align} N & = \sum_i \frac{1}{e^{ \beta( \varepsilon_i-\mu ) }-1} \ & =g \sum_{\va{k}} \frac{1}{e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }-1} \ & = g \frac{V}{( 2\pi )^{3}} \cdot 4\pi \int_{0}^{\infty} \dd{k} k^{2} \frac{1}{e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }-1} \ & = \frac{gV}{4\pi^{2}} \qty( \frac{2m}{\hbar^{2}} )^{3/2 } \int_{0}^{\infty} \dd{\varepsilon} \frac{ \varepsilon^{1/2 } }{ e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }-1 } \end{align} $$ 对应能量 $$ E = \frac{gV}{4\pi^{2}} \qty( \frac{2m}{\hbar^{2}} )^{3/2 } \int_{0}^{\infty} \dd{\varepsilon} \frac{ \varepsilon^{3/2 } }{ e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }-1 } $$ grand potential $$ \begin{align} \Omega & = \beta ^{-1} \sum_{i = 1}^{\infty} \ln( 1-e^{ \beta( \mu-\varepsilon ) } ) \ & = \beta ^{-1} \frac{gV}{4\pi^{2}} \qty( \frac{2m}{\hbar^{2}} )^{3/2 } \int_{0}^{\infty} \dd{ \varepsilon}\varepsilon^{1/2 } \ln( 1-e^{ \beta( \mu-\varepsilon ) } ) \ & = \frac{gV}{4\pi^{2}} \qty( \frac{2m}{\hbar^{2}} )^{3/2 } \frac{3}{2} \int_{0}^{\infty} \dd{\varepsilon} \frac{ \varepsilon^{3/2 } }{ e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }-1 } \end{align} $$
ideal fermion¶
呃就是改一下 $$ \begin{gathered} N = \frac{gV}{4\pi^{2}} \qty( \frac{2m}{\hbar^{2}} )^{3/2 } \int_{0}^{\infty} \dd{\varepsilon} \frac{ \varepsilon^{1/2 } }{ e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }-1 } \ E = \frac{gV}{4\pi^{2}} \qty( \frac{2m}{\hbar^{2}} )^{3/2 } \int_{0}^{\infty} \dd{\varepsilon} \frac{ \varepsilon^{3/2 } }{ e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }-1 } \ \Omega = -\frac{2}{3} E \end{gathered} $$ fermi distribution on T=0 $$ \frac{1}{e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }+1} = H( \mu-\varepsilon ) $$ Summerfeld expansion $$ \begin{align} \int_{0}^{\infty} \dd{\varepsilon} \frac{ \varepsilon^{3/2 } }{ e^{ \beta( \varepsilon-\mu ) }-1 } & = \int_{0}^{\mu} \dd{\varepsilon} \varepsilon^{3/2 } + \frac{\pi^{2}}{6} ( k_{B}T )^{2} \frac{3}{2}\cdot \mu^{1/2} + \cdots \ & = \frac{2}{5}\mu^{5/2} + \frac{\pi^{2}}{4} ( k_{B}T )^{2} \mu^{1/2} + \cdots \end{align} $$ particle num $$ N = \frac{gV}{4\pi^{2}} \qty( \frac{2m}{\hbar^{2}} )^{3/2 } \qty[ \frac{2}{3}\mu^{3/2} + \frac{\pi^{2}}{8} \mu^{-1/2} ] $$ in T=0 we have $$ N = \frac{gV}{4\pi^{2}} \qty( \frac{2m}{\hbar^{2}} )^{3/2 } \frac{2}{3}\varepsilon_{F}^{3/2} $$ solv $$ \mu = \varepsilon_{F}\qty[ 1-\frac{\pi^{2}}{12} \qty( \frac{k_{B}T}{\varepsilon_{F}} )^{2} ] $$
def magnitization $$ M = -\qty(\pdv{ \Omega }{ B }){ T,V,\mu } $$ 后面可以证明 $$ M = \mu ^{*}( N^+ - N^- ) $$ suspectivity $$ \chi( B ) = \frac{1}{V} \pdv{ M }{ B } $$ 假设对自旋1/2体系,定义能量 $$ \varepsilon = \frac{p^{2}}{2m} - \va{\mu}\cdot \va{B} $$ on T=0 $$ N = N+ + N_- $$
magnetization $$ M = \mu ^{}( N_{+} - N_- ) = \frac{ \mu ^{}V( 2m )^{3/2} }{6\pi{2}\hbar\qty[ ( \mu+\mu ^{} }B )^{3/2 } - ( \mu+\mu ^{}B )^{3/2 } ] $$ 计算得到 $$ \chi = \lim_{ B \to 0 } \frac{M}{VB} = \frac{ \mu ^{^2}( 2m )^{3/2 } \varepsilon_F^{1/2} }{ 6\pi{2}\hbar $$ for arbitrary T $$ \begin{align} \Xi & = \Tr\exp[ -\beta( H-\mu N ) ] \ & =\sum_i \ev{ \exp[ -\beta( \hat{H}-\mu \hat{N} ) ] }{ i } \ & = \sum_{n_{1\uparrow},\cdots ,n_{n\downarrow}} \exp( -\beta( \sum_{\sigma}\sum_i \varepsilon_{i\sigma}n_{i\sigma} - \mu \sum_{\sigma}\sum_i n_{i\sigma}) ) \ & = \prod_{i = 1}^{\infty} \qty[ ( 1+e^{ \beta( \mu-\varepsilon_{j\uparrow} ) } )( 1+e^{ \beta( \mu-\varepsilon_{j\downarrow} ) } ) ] \end{align} $$ we have $$ \ln \Xi =\frac{1}{2}\ln \Xi_{0}( \mu+\mu ^{} }B ) + \frac{1}{2}\ln \Xi_{0}( \mu-\mu ^{}B ) $$ obivous $$ \Omega = \frac{1}{2}\Omega_{0}( \mu+\mu ^{}B ) + \frac{1}{2}\Omega_0 ( \mu-\mu ^{}B ) $$ derivative by B we can prove that $$ M = \mu ^{}( N^+ - N^- ) $$ we can also prove $$ N_{\uparrow} - N_{\downarrow} = \mu ^{} B\qty(\pdv{ N }{ \mu }){ T,V } $$ do taylor expansion around \(\Omega_{0}( \mu )\) $$ \Omega( \mu ^{} ) = \Omega_{0}( \mu ) + \pdv{ \Omega_{0}( \mu ) }{ \mu } \mu ^{}B + \frac{1}{2}\pdv[2]{ \Omega_{0}( \mu ) }{ \mu } \qty( \mu^{}B )^{2} $$ 得到 $$ \Omega = \Omega_{0}( \mu ) + \frac{1}{2}( \mu {}B )^{2}\pdv[2]{ \Omega_{0}( \mu ) }{ \mu } $$ 得到的磁化率为 $$ M = -\qty(\pdv{ \Omega }{ B })_{ T,V,\mu } = -\mu ^{)}} B \qty(\pdv[ 2 ]{ \Omega_{0}( \mu ) }{ \mu { T,V } = -\mu {*)}} B \qty(\pdv{ N }{ \mu $$
...
Landau 抗磁性¶
Bohr - van Leeuwen Theorem on classical physics (doesn't consider spin) \(M=0\)
proof on B=0 we have $$ H = \sum_{i = 1}^{N} \frac{ p_i^{2} }{ 2m } + V( q_i ) $$ for kinetic Momentum $$ \tilde{p}i = p_i - \frac{ eA( q_i ) }{ c } $$ on classical stat $$ \begin{align} \Xi( V,\mu,T,B ) & = \sum \ & = \ & = \Xi_{0} \end{align} $$ 于是 }^{\infty} \frac{1}{N!h^{3}} \int\dd[3]{\tilde{p}}\dd[3]{q} e^{ -\beta( H-\mu N ) \(M=0\) 又有 \(\chi= 0\) ,即没有磁性。
in Landau gauge $$ h=\frac{1}{2m}( p-\frac{ eA }{ c } )^{2} \qc A_x = -By\qc A_y=A_z=0 $$ SE $$ \qty[ \frac{1}{2m} ( p_x + \frac{ eBy }{ c } )^{2} + \frac{1}{2m} ( p_y^{2} + p_z^{2} ) ]\psi_i( r ) = \varepsilon_i\psi_i( r ) $$ B_z is not a good quant #
on B = 0 $$ \varepsilon( \va{p} ) = \frac{1}{2m} ( p_x^{2} + p_y^{2} ) + \frac{1}{2m} p_z^{2} $$ on \(B\neq 0\) $$ \varepsilon( j,p_z ) = \mu_BB( j+\frac{1}{2} ) + \frac{1}{2m} p_z^{2} $$ 
施加磁场会导致电子被固定到固定的能级上。现在统计每两个圆之间的态密度 $$ \begin{align} g & = \frac{ V^{2/3} }{ ( 2\pi )^{2} } \pi ( k_{max}^{2} ) \ & = \frac{ V^{2/3} 2m }{ 4\pi \hbar^{2} } \cdot \frac{ \hbar^{2} k_{max}^{2} }{ 2m } \ & = \frac{ V^{2/3 }m }{ 2\pi \hbar^{2} }\mu_BB \end{align} $$ 计算得到配分函数 $$ \begin{align} \ln \Xi & = \sum_i \ln( 1+e^{ -\beta( \varepsilon_i-\mu ) } ) \ & = g\sum_{j = 0}^{\infty} \sum_{k_z} \ln( 1+e^{ -\beta( \varepsilon_i-\mu ) } ) \ & = g \sum_{j = 0}^{\infty} \frac{ V^{1/3 } }{ 2\pi } \int_{-\infty}^{\infty} \dd{k_z} \ln( 1+\exp( \beta( \mu_BB( j+\frac{1}{2} ) + \frac{\hbar{2}k_z -\mu) ) ) \end{align} $$ consider when high T limit }}{2m\(\beta \to 0\), using \(\ln( 1+x ) = x\) $$ \ln \Xi = \frac{ gV^{1/3 } }{ 2\pi }e^{ -\beta \mu } \sum_{j = 0}^{\infty} e^{ \beta \mu_B B( j+1/2 ) } \cdot \int_{-\infty}^{\infty} e^{ \hbar{2}k_z $$ obtain $$ \ln \Xi = \frac{ zVeB }{ h^{2}c } \qty( \frac{ 2\pi m }{ \beta } )^{1/2} \qty( 2\sinh( \frac{ \beta e\hbar B }{ 2mc } ) )^{-1} $$ on high T limit $$ \frac{1}{V} \ln \Xi = \frac{z}{\lambda^{3}}\qty[ 1-\frac{1}{6} ( \frac{ e\hbar }{ 2mc } )^{2}( \frac{B}{k_{B}T} )^{2} ] $$ then we can easily obtain}/2m } \dd{k_z
...
define $$ F( x ) = \ln( 1+\exp( \beta( \mu_BBx + \frac{\hbar{2}k_z $$ using Eular - Maclaurin Theorem $$ \frac{1}{2}F( a ) + \sum_{i = 1}^{\infty} F( a+j ) = \int_{a}^{\infty} F( x ) \dd{x} - \frac{1}{12} F'( a ) $$ let }}{2m} -\mu) ) )^{-1\(a=1/2\) $$ \frac{1}{2}F( \frac{1}{2} ) + \sum_{j = 1}^{\infty} F( \frac{1}{2} + j ) = \int_{0}^{\infty} F( x ) \dd{x} - \int_{0}^{1/2 } F( x ) \dd{x} - \frac{1}{12}F'( \frac{1}{2} ) $$ using $$ F( x ) =F( 0 ) + xF'( 0 ) $$ finally obtain $$ \sum_{j = 1}^{\infty} F( j+\frac{1}{2} ) = \int_{0}^{\infty} F( x ) \dd{x} + \frac{1}{24}F'(0x ) $$