問題 6-29 の解答例

Feynman-Hibbs cover

Problem 6-29
Suppose two perturbations, V(x,t) and U(x,t), are acting. (Examples include a combination of DC and AC electronic fields or a combination of electric and magnetic fields.) Suppose further that a certain transition cannot occur with either V or U alone, but can occur only when both act together. Under the special assumption that both V and U are constant in time, show that the matrix element determining the transition element is given by

(6-111)Mnm=kVmkUkn+UmkVknEkEn

Next, suppose both potentials are periodic in time but have different frequencies, ω1 and ω2. What then is the matrix element?


(解答) 仮定から行列要素は VI(t)+UI(t) と書ける.従って, 2次の遷移振幅 λmn(2) に相当する 2次の係数 cm(2)(T) は次である:

cm(2)(T)=(i)2k0Tdt10t1dt2eiωmkt1[Vmk(t1)+Umk(t1)]eiωknt2[Vkn(t2)+Ukn(t2)](1)=(i)2k0Tdt1eiωmkt10t1dt2eiωknt2[Vmk(t1)+Umk(t1)][Vkn(t2)+Ukn(t2)]

ここでポテンシャルは V 或は U の一方だけでは遷移は起こらないと仮定し, かつそれらは時間に依存しないとすれば, 上式中の行列要素は次に書ける:
[Vmk(t1)+Umk(t1)][Vkn(t2)+Ukn(t2)]=Vmk(t1)Vkn(t2)+Vmk(t1)Ukn(t2)+Umk(t1)Vkn(t2)+Umk(t1)Ukn(t2)(2)=Vmk(t1)Ukn(t2)+Umk(t1)Vkn(t2)=VmkUkn+UmkVkn

すると式 (1) は, 式 (6-98) のときと同様にして次のようになる:
cm(2)(T)=(i)2k(VmkUkn+UmkVkn)0Tdt1eiωmkt10t1dt2eiωknt2(3)=kVmkUkn+UmkVknEkEn(eiωmnT1EmEneiωmkT1EmEk)

よってこの場合の「遷移の行列要素」(matrix element for the transition) は, 式 (6-99) のときと同様な議論により次に書ける:
(4)Mnm=kVmkUkn+UmkVknEkEn

次に, 両方のポテンシャルは周期的に時間変化する場合を考える.この場合, 問題 6-24 に倣ってポテンシャルを次のように表わすことにする:
V(t)+U(t)=V(x)(eiω1t+eiω1t)+U(x)(eiω2t+eiω2t)(5)=2V(x)cosω1t+2U(x)cosω2t

すると, 問題 6-24 と同様な手順により cm(2)(T) は次となる:
cm(2)(T)=(i)2k0Tdt10t1dt2eiωmkt1{Vmk(t1)+Umk(t1)}eiωknt2{Vkn(t2)+Ukn(t2)}(6)=(i)2k0Tdt1eiωmkt1{Vmk(t1)+Umk(t1)}0t1dt2eiωknt2{Vkn(t2)+Ukn(t2)}

まず, t2 についての積分は次となる:
(i)0t1dt2eiωknt2{Vkn(t2)+Ukn(t2)}=(i)0t1dt2eiωknt2{Vkn(eiω1t2+eiω1t2)+Ukn(eiω2t2+eiω2t2)}=1[Vknωkn+ω1{1ei(ωkn+ω1)t1}+Vknωknω1{1ei(ωknω1)t1}(7)+Uknωkn+ω2{1ei(ωkn+ω2)t1}+Uknωknω2{1ei(ωknω2)t1}]

これを式 (6) に代入し, t1 について積分すると次となる:
cm(2)(T)=12k[VmkVkn(ωkn+ω1)ei(ωmn+2ω1)T1(ωmn+2ω1)VmkVkn(ωkn+ω1)ei(ωmk+ω1)T1(ωmk+ω1)+VmkVkn(ωkn+ω1)eiωmnT1ωmnVmkVkn(ωkn+ω1)ei(ωmkω1)T1(ωmkω1)+UmkVkn(ωkn+ω1)ei(ωmn+ω1+ω2)T1(ωmn+ω1+ω2)UmkVkn(ωkn+ω1)ei(ωmk+ω2)T1(ωmk+ω2)+UmkVkn(ωkn+ω1)ei(ωmn+ω1ω2)T1(ωmn+ω1ω2)UmkVkn(ωkn+ω1)ei(ωmkω2)T1(ωmkω2)+VmkVkn(ωknω1)eiωmnT1ωmnVmkVkn(ωknω1)ei(ωmk+ω1)T1(ωmk+ω1)+VmkVkn(ωknω1)ei(ωmn2ω1)T1(ωmn2ω1)VmkVkn(ωknω1)ei(ωmkω1)T1(ωmkω1)+UmkVkn(ωknω1)ei(ωmmω1+ω2)T1(ωmnω1+ω2)UmkVkn(ωknω1)ei(ωmk+ω2)T1(ωmk+ω2)+UmkVkn(ωknω1)ei(ωmnω1ω2)T1(ωmnω1ω2)UmkVkn(ωknω1)ei(ωmkω2)T1(ωmkω2)+VmkUkn(ωkn+ω2)ei(ωmn+ω1+ω2)T1(ωmn+ω1+ω2)VmkUkn(ωkn+ω2)ei(ωmk+ω1)T1(ωmk+ω1)+VmkUkn(ωkn+ω2)ei(ωmnω1+ω2)T1(ωmnω1+ω2)VmkUkn(ωkn+ω2)ei(ωmkω1)T1(ωmkω1)+UmkUkn(ωkn+ω2)ei(ωmn+2ω2)T1(ωmn+2ω2)UmkUkn(ωkn+ω2)ei(ωmk+ω2)T1(ωmk+ω2)+UmkUkn(ωkn+ω2)eiωmnT1ωmnUmkUkn(ωkn+ω2)ei(ωmkω2)T1(ωmkω2)+VmkUkn(ωknω2)ei(ωmn+ω1ω2)T1(ωmn+ω1ω2)VmkUkn(ωknω2)ei(ωmk+ω1)T1(ωmk+ω1)+VmkUkn(ωknω2)ei(ωmnω1ω2)T1(ωmnω1ω2)VmkUkn(ωknω2)ei(ωmkω1)T1(ωmkω1)+UmkUkn(ωknω2)eiωmnT1ωmnUmkUkn(ωknω2)ei(ωmk+ω2)T1(ωmk+ω2)(8)+UmkUkn(ωknω2)ei(ωmn2ω2)T1(ωmn2ω2)UmkUkn(ωknω2)ei(ωmkω2)T1(ωmkω2)

式 (6-98) から式 (6-99) を求めたときの議論と, 問題6-24の式 (6-94) を求めたときの議論とから, この場合の遷移率は次のようになると類推される?. (ただし, これも類推したに過ぎないので, 後で検討を要するものである):
wnm=P(nm)dt=2π|Mnm(1)|2[δ(EmEn)+δ(EmEn+2ω1)]+2π|Mnm(2)|2[δ(EmEn+ω1+ω2)+δ(EmEn+ω1ω2)]+2π|Mnm(3)|2[δ(EmEn)+δ(EmEn2ω1)]+2π|Mnm(4)|2[δ(EmEnω1+ω2)+δ(EmEnω1ω2)]+2π|Mnm(5)|2[δ(EmEn+ω1+ω2)+δ(EmEnω1+ω2)]+2π|Mnm(6)|2[δ(EmEn)+δ(EmEn+2ω2)]+2π|Mnm(7)|2[δ(EmEn+ω1ω2)+δ(EmEnω1ω2)](9)+2π|Mnm(8)|2[δ(EmEn)+δ(EmEn2ω2)]

ただし, 各項に含まれる「遷移の行列要素」は次である:
Mnm(1)=kVmkVknEkEn+ω1iε,Mnm(2)=kUmkVknEkEn+ω1iε,Mnm(3)=kVmkVknEkEnω1iε,Mnm(4)=kUmkVknEkEnω1iε,Mnm(5)=kVmkUknEkEn+ω2iε,Mnm(6)=kUmkUknEkEn+ω2iε,(10)Mnm(7)=kVmkUknEkEnω2iε,Mnm(8)=kUmkUknEkEnω2iε