domingo, 18 de enero de 2009

The Split-Operator Method (SOM)

We're gonna see a method to avoid manually solve Schrödinger's equation and stablish a way to get an approximate solution for an arbitrary potential of the form V(\hat{X}). This method is called Split-Operator Method (SOM, from now on). Later we'll see what split-operator does mean. For simplicity, our discussion will be regarding the one-dimensional problem.

Given the Schrödinger's equation

i\hbar\frac{\mbox{d}}{\mbox{d}t} |\psi(t)\rangle = \hat{H} |\psi(t)\rangle

It can be formally solved as follows:

|\psi(t)\rangle = e^{-i\frac{\hat{H}}{\hbar}t} |\psi(0)\rangle

Let's consider the following hamiltonian function

\hat{H} = \dfrac{\hat{P}^2}{2m} + V(\hat{X})

Since [\hat{X},\hat{P}]\neq0, there's no reason to prefer one of the two following options to set the order in which the hamiltonian momentum-dependent and position-dependent part act over the system ket:

1. e^{f_1(\hat{P}) + f_2(\hat{X})} |\psi(t)\rangle = e^{f_1(\hat{P})} \cdot e^{f_2(\hat{X})} |\psi(t)\rangle

2. e^{f_1(\hat{P}) + f_2(\hat{X})} |\psi(t)\rangle = e^{f_2(\hat{X})} \cdot e^{f_1(\hat{P})} |\psi(t)\rangle

In fact, none of them would be correct.

The SOM consists on somehow setting up an approximation to the exponential. This approximation is

e^{-\frac{it}{\hbar}\left(\frac{\hat{P}^2}{2m}+V(\hat{X})\right)} \approx e^{-\frac{it}{\hbar}\frac{\hat{P}^2}{4m}} \cdot e^{-\frac{it}{\hbar}V(\hat{X})} \cdot e^{-\frac{it}{\hbar}\frac{\hat{P}^2}{4m}}

Thus, we have splitted the hamiltonian operator in a certain way to symmetrize the exponentials. This approximation is valid for a sufficiently small time step.

Now we are gonna switch to momentum representation to see how this works for the wave packet. We don't choose position representation because that would require an additional step:

\bar{\psi}(p,t) = \langle p | \psi(t)\rangle = \langle p | e^{-\frac{it}{\hbar}\frac{\hat{P}^2}{4m}} \cdot e^{-\frac{it}{\hbar}V(\hat{X})} \cdot e^{-\frac{it}{\hbar}\frac{\hat{P}^2}{4m}} | \psi(0)\rangle

As we stated before, the time step must be sufficiently small. Apparently, we can't solve Schrödinger's equation for an arbitrary value of t. To solve this problem we are gonna make the following substitution:

\bar{\psi}(p,t) = \bar{\psi}(p,t_0 + \Delta t) = \langle p | \psi(t_0 + \Delta t)\rangle =

= \langle p | e^{-\frac{i\Delta t}{\hbar}\frac{\hat{P}^2}{4m}} \cdot e^{-\frac{i\Delta t}{\hbar}V(\hat{X})} \cdot e^{-\frac{i\Delta t}{\hbar}\frac{\hat{P}^2}{4m}} | \psi(t_0)\rangle

Now we can make \Delta t as small as we need to match convergence requirements.

Given the closure, eigenvalues and dot product relations for the position and momentum basis

\int \mbox{d}x | x \rangle\langle x | = 1

\int \mbox{d}p | p \rangle\langle p | = 1

\hat{X} |x\rangle = x |x\rangle

\hat{P} |p\rangle = p |p\rangle

\langle p |x\rangle = \langle x |p\rangle^* = e^{\frac{-i}{\hbar}p\cdot x}

Let's remember that, since e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} it's true that

e^{f(\hat{X})} |x\rangle = e^{f(x)} |x\rangle

Hence, we can, in a straightforward manner, apply the closure relation twice, once in position and once in momentum, to get to the following result:

\bar{\psi}(p,t_0 + \Delta t) =

= \int\mbox{d}p' \int\mbox{d}x \ e^{\frac{i}{\hbar}p'x} \ e^{\frac{-i}{\hbar}px} \ e^{\frac{-i}{\hbar}\frac{p^2+{p'}^2}{4m}\Delta t} \ e^{\frac{-i}{\hbar}V(x)\Delta t} \ \bar{\psi}(p',t_0)

Which is a double Fourier transform, once forward and once backward. To obtain \psi(x,t) we just need to transform again (the additional step I was referring before). Thus, under the SOM approximation and given that we know the \bar{\psi}(p,t_0) state of the system at a certain t_0 time, we can solve Schrödinger's equation by simply using Fourier transforms whatever the potential might be and obtain the wave function \Delta t later.

I made the next video with data obtained from a SOM routine I programmed. Both the wave packet and potential barrier are gaussian. In the left side you can see position representation and in the right one you have momentum representation:


You are free to distribute and/or modify this work
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viernes, 16 de enero de 2009

Terminé la carrera

Después de un intento fallido en septiembre y que no me dejaran presentarme en diciembre al examen de Física Atómica, el 16 de enero de 2009, y después de haber completado todos los créditos de que consta mi titulación, he formalizado la petición para que me sea expedido el título:


Soy, oficialmente y a todos los efectos, licenciado en Física.

miércoles, 14 de enero de 2009

No estamos solos

Para encontrar vida inteligente aparte de la humana -aunque esto está sujeto a debate, de todas formas- no hace falta irse a Roswell a buscar platillos volantes. Hay un montón de trabajo documentado demostrando que muchos animales demuestran inteligencia social, emotiva e instrumental similar a los humanos, aunque de menor complejidad.

Hasta ahora tenía noticias de primates (vi en un documental a un bonobo hacerse unos espaguetis), delfines (que son capaces de practicar sexo sólo por placer, sin fines reproductivos) y cada vez que voy a mi casa soy testigo de cómo mi perra chantajea emocionalmente a toda la familia para obtener comida. También he visto cómo los pinzones de las Galápagos son capaces de utilizar palitos para sacar alimento de orificios. Pero las habilidades de los loros kea, que acabo de descubrir en Youtube, casi hieren mi orgullo de homo sapiens. Tengo que reconocer que yo habría tardado más que estos pájaros en resolver algunos de los rompecabezas...


Sabía de la existencia de estos loros porque cuando tenía Imagenio en La Laguna podía ver el canal Odisea, donde ponían documentales de Nueva Zelanda. Sabía que no podían volar, que no eran aves tropicales, como sus parientes más coloridos, y que hacían madrigueras en vez de nido. Pero esto supera todas mis expectativas. Por cierto, el documental éste de los kea también salió en Odisea, pero yo ya no puedo ver ese canal.

Creo que cuando empecemos la colonización de Marte lo más seguro sería mandar unos cuantos de éstos en vez de ir nosotros. Seguro que lo hacen mejor.

Corrijo: los kea sí pueden volar. Los kakapo, también endémicos de Nueva Zelanda, son los que hacen nidos y no vuelan.

jueves, 1 de enero de 2009

¿Feliz 2009?

Como cada 31 de diciembre, un año termina y las campanadas de la Puerta del Sol dan la bienvenida al siguiente. 2008 ha sido un año complicado para los acomodados inquilinos del Primer Mundo: nos dimos cuenta de que la mitad de las monedas que teníamos en la hucha en realidad eran de chocolate. Mientras nosotros nos emborrachamos y bailamos para saludar al 2009, en otras partes del mundo no están los ánimos para tanta celebración.

Nunca fue mi intención hablar en este blog de política, pero dadas las cotas que está alcanzando la barbarie de Israel en Gaza, creo que el tema es inevitable. Israel justifica la matanza en términos de eliminación de terroristas de Hamas, pero hoy para eliminar a uno de ellos se han llevado por delante a su mujer y sus ocho hijos. Según el mismo periódico, el 40% de las ya 400 víctimas son civiles.

Mientras, el autoproclamado azote de los terroristas, Bush, da alas al terrorismo de estado practicado por Israel y se las corta a las Naciones Unidas. La persona más poderosa del mundo tiene las manos atadas cuando se trata de ir contra los intereses del lobby judío de los Estados Unidos. Con menos de 20 días para abandonar la Casa Blanca, Bush le pasa la patata caliente a Obama mientras la sangre de los inocentes sigue regando Oriente Próximo.


¿"Yes we can"? Obama tiene una oportunidad inigualable para demostrar que tiene los cojones que hacen falta para traer el cambio que prometió. Lo más probable es que todo se quede en papel mojado.