TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
NGUYỄN THỊ THANH
NGHIÊN CỨU SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CỦA NGƯNG
TỤ BOSE-EINSTEIN MỘT THÀNH PHẦN TRONG
THỐNG KÊ CHÍNH TẮC
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
HÀ NỘI, 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
NGUYỄN THỊ THANH
NGHIÊN CỨU SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CỦA NGƯNG
TỤ BOSE-EINSTEIN MỘT THÀNH PHẦN TRONG
THỐNG KÊ CHÍNH TẮC
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. Nguyễn Văn Thụ
HÀ NỘI, 2018
LỜI CẢM ƠN
Trước khi trình bày nội dung chính của luận văn, tôi xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Văn Thụ người đã định hướng chọn đề tài và tận
tình giúp đỡ, hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành khóa luận này.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo giảng
dạy chuyên ngành vật lý lý thuyết khoa vật lý, trường Đại học Sư phạm Hà
Nội 2 đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Thanh
LỜI CAM ĐOAN
Dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Thụ luận văn
chuyên ngành Vật lý lý thuyết với đề tài “Nghiên cứu sức căng mặt ngoài của
ngưng tụ Bose-Einstein một thành phần trong thống kê chính tắc” và được
hoàn thành bởi chính sự nghiên cứu tìm hiểu của bản thân, không trùng lặp
với bất cứ luận văn nào khác.
Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã kế thừa những thành tựu của các nhà
khoa học với sự trân trọng và biết ơn.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Thanh
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài. ...................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu. ................................................................................ 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu. ............................................................................... 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ............................................................ 2
5. Những đóng góp mới của đề tài. ............................................................... 2
6. Phương pháp nghiên cứu. .......................................................................... 2
NỘI DUNG ....................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG CỦA NGƯNG TỤ BOSE-EINSTEIN 3
1.1. Tổng quan về ngưng tụ Bose-Einstein. ................................................. 3
1.1.1. Tổng quan nghiên cứu lý thuyết về ngưng tụ Bose-Einstein .......... 3
1.1.2. Tổng quan nghiên cứu thực nghiệm về ngưng tụ Bose-Einstein .... 4
1.1.2.1. Ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên của nguyên tố Erbium ... 4
1.1.2.2. Lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng Hall ở một BEC ........ 5
1.2. Lý thuyết trường trung bình .................................................................. 6
1.2.1. Thế tương tác .................................................................................. 6
1.2.2. Phương trình Gross-Pitaevskii. ..................................................... 10
1.3. Phương pháp gần đúng parabol kép (Double parabola approximationDPA). ............................................................................................................... 12
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................ 14
CHƯƠNG 2: SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CỦA NGƯNG TỤ BOSEEINSTEIN MỘT THÀNH PHẦN TRONG THỐNG KÊ CHÍNH TẮC ....... 15
2.1. Các hệ thống kê. .................................................................................. 15
2.1.1. Hệ hạt đồng nhất. .......................................................................... 15
2.1.2. Hệ vi chính tắc .............................................................................. 16
2.1.3. Hệ chính tắc .................................................................................. 19
2.2. Trạng thái cơ bản trong gần đúng Parabol kép. .................................. 25
2.3. Khái niệm sức căng mặt ngoài. ........................................................... 27
2.4. Sức căng mặt ngoài trong hệ chính tắc. ............................................... 31
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................ 33
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 35
KÍ HIỆU VIẾT TẮT
BEC
(Bose-Einstein condensate): Ngưng tụ Bose- Einstein
GPE
(Gross-Pitaevskii equation): Phương trình Gross-Pitaevskii
DPA
(Double-parabola approximation): Gần đúng parabol kép
CE
(Canoical ensemble): Chính tắc
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) là trạng thái vật chất được tạo thành khi
làm lạnh khí boson, tới gần độ không kenvin (0K). Ở nhiệt độ này, một lượng
lớn các boson nằm ở trạng thái lượng tử thấp nhất, khi đó ở mức vĩ mô các
hiệu ứng lượng tử trở lên rõ nhất và được gọi là hiện tượng lượng tử mức vĩ
mô.
Năm 1924, Albert Einstein và Satyendra Nath Bose đã dự đoán là có
trạng thái “Ngưng tụ Bose-Einstein”, hay còn gọi là trạng thái thứ năm của
vật chất. Trong trạng thái BEC này, thì vật chất không còn hoạt động độc lập
với nhau nữa mà chúng rơi vào một trạng thái mà được diễn tả với cùng một
hàm sóng duy nhất.
Ở thể khí, Ngưng tụ Bose-Einstein là một lý thuyết bị nghi ngờ trong
suốt một thời gian dài. Năm 1995, một đội nghiên cứu đến từ trường đại học
Colorado ở Bouder lần đầu tiên đã tạo ra thành công được trạng thái này bằng
thực nghiệm.
Việc phát hiện ra trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein đã mang lại những
phát minh quan trọng và mở đường cho sự phát triển của khoa học và công
nghệ hiện đại.
Trong các nghiên cứu về ngưng tụ Bose-Einstein thì nghiên cứu sức
căng mặt ngoài của nó có ý nghĩa quan trọng, đặc biệt trong việc tìm hiểu
chuyển pha ướt của hệ. Đây là vấn đề được đưa vào vận dụng nhiều trong
công nghệ ngày nay. Vì lí do trên mà tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu sức
căng mặt ngoài của ngưng tụ Bose-Einstein một thành phần trong thống
kê chính tắc” làm đề tài nghiên cứu của mình.
2. Mục đích nghiên cứu.
1
Nghiên cứu sức căng mặt ngoài của ngưng tụ Bose-Einstein một thành
phần trong thống kê chính tắc.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu.
Xây dựng phương trình Gross-Pitaevskii và phương pháp gần đúng
parabol kép.
Nghiên cứu sức căng mặt ngoài của ngưng tụ Bose-Einstein một thành
phần trong thống kê chính tắc.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Hệ ngưng tụ Bose-Einstein một thành phần trong thống kê chính tắc, tức
là hệ cô lập với số hạt không đổi.
5. Những đóng góp mới của đề tài.
Nghiên cứu sức căng mặt ngoài của ngưng tụ Bose-Einstein một thành
phần trong thống kê chính tắc có những đóng góp quan trọng trong lý thuyết
lượng tử và vật lý thống kê nói riêng, trong vật lý lý thuyết nói chung.
6. Phương pháp nghiên cứu.
-
Sử dụng gần đúng trường trung bình.
-
Sử dụng gần đúng parabol kép.
-
Sử dụng thống kê chính tắc.
-
Tính toán và vẽ hình dựa vào phần mềm Mathematical.
2
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT CHUNG CỦA NGƯNG TỤ BOSE-EINSTEIN
1.1. Tổng quan về ngưng tụ Bose-Einstein.
1.1.1. Tổng quan nghiên cứu lý thuyết về ngưng tụ Bose-Einstein
Ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) là trạng thái vật chất được tạo thành khi
làm lạnh khí boson, tới gần độ không kenvin (0K). Ở nhiệt độ này, một lượng
lớn các boson nằm ở trạng thái lượng tử thấp nhất, khi đó ở mức vĩ mô các
hiệu ứng lượng tử trở lên rõ nhất và được gọi là hiện tượng lượng tử mức vĩ
mô. Einstein đã đưa ra dự đoán này vào năm 1925 với các nguyên tử có spin
nguyên. Tiếp đó Einstein đã cải tiến quan điểm của Bose cho một hệ các hạt.
Sự cố gắng của hai nhà khoa học đã đưa ra lý thuyết về khí bose trong phạm
vi của thống kê Bose-Einstein. Einstein giải thích được nếu các nguyên tử
boson được làm lạnh đến độ không tuyệt đối thì hệ này sẽ bị tụ lại trong một
trạng thái lượng tử thấp nhất có thể sau đó vật chất hình thành lên một trạng
thái mới.
Hiện nay, người ta đã ngưng tụ được tổng cộng 13 nguyên tố. Trong đó
mười nguyên tố được tìm ra bởi mười nhóm nghiên cứu khác nhau trên thế
giới [4].
Năm 1995, khí đầu tiên đã được ngưng tụ thành công bởi hai nhà khoa
học Eric Cornell và Carl Wieman, đó là nguyên tử Rubidi được làm lạnh tới
nhiệt độ 170 nanokelvin (nK). Cùng thời điểm, nhà vật lý Wolfgang Ketterle
đã ngưng tụ thành công nguyên tử Natri để tạo ngưng tụ Bose-Einstein. Sau
đó Cornell, Wieman, Ketterle đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2001.
Trong vật lý có hai lớp hạt cơ bản: lớp hạt boson và lớp hạt fermion.
Boson bao gồm các hạt với “spin nguyên” (photon, -meson, K-meson,...);
fermion bao gồm hạt với “spin bán nguyên” (electron, các nucleon,...). Các
3
hạt boson tuân theo thống kê Bose-Einstein, còn các hạt fermion tuân theo
thống kê Fermi-Dirac. Bên cạnh đó các hạt fermion còn tuân theo nguyên lí
loại trừ Pauli, đó là: “Nếu có một bộ bốn đại lượng động lực
( ,
,
,
)bất kì đủ để đặc trưng cho trạng thái của một hạt, thì trong hệ
fermion không thể có hai hạt có trạng thái được đặc trưng bởi bốn số
( ,
,
,
)giống nhau” [2].
Ở điều kiện bình thường khí fermi và boson tạo ra các biến đổi như nhau
và tuân theo gần đúng thống kê Maxwell-Boltzman (vì từ thống kê Maxwell-
Boltzman có thể suy ra thống kê Bose-Einstein và thống kê Fermi-Dirac).
Một quan điểm được đưa ra đó là khí bose và khí fermi khác nhau về tính chất
khi ở nhiệt độ thấp. Đúng thế, do các hạt boson không bị ảnh hưởng bởi
nguyên lý cấm Pauli nên ở nhiệt độ thấp năng lượng của các hạt đạt cực tiểu
= 0, vì vậy tất cả các chất khí đều ở trạng thái cơ bản và có năng lượng
= 0 . Ngược lại, đối với khí fermi khi ở độ không tuyệt đối các hạt có các
mức năng lượng lần lượt từ 0 đến mức fermi, từ đó năng lượng của cả hệ khác
không ( ≠ 0).
Dựa trên quan điểm vĩ mô ngưng tụ Bose-Einstein gồm các hạt có spin
nguyên ở trạng thái cơ bản có nhiệt độ thấp và mật độ cao. Chứa khí nguyên
tử lạnh và vật lý chất rắn chuẩn hạt. Nhưng phổ biến nhất vẫn là khí boson.
1.1.2. Tổng quan nghiên cứu thực nghiệm về ngưng tụ Bose-Einstein
1.1.2.1. Ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên của nguyên tố Erbium
Nhờ các đặc trưng quan trọng của chất khí lượng tử siêu lạnh đã giúp
cho việc tìm hiểu các hiện tượng Vật lý trở nên dễ dàng hơn. Nhóm nghiên
cứu của Francesca Ferlaino đã quyết định tìm hiểu nguyên tố Erbium, đó là vì
những tính chất đặc biệt của nó giúp giải quyết những nghi ngờ trong lĩnh vực
Vật lý cơ bản.
4
Theo Ferlaino, “Erbium tương đối nặng và có từ tính mạnh. Những tính
chất này dẫn tới một trạng thái lưỡng cực cực độ của các hệ lượng tử”.
Bà và các cộng sự đã dựa vào kĩ thuật làm lạnh bay hơi và phương tiện
laser đã ngưng tụ thành công các nguyên tố phức tạp. Ở nhiệt độ gần độ
không kenvil (0K), một ngưng tụ Bose-Einstein từ tính được tạo ta từ một
đám mây chứa một lượng lớn các hạt erbium. Ở trạng thái này, tính chất đơn
lẻ của các hạt bị mất đi và đồng bộ hóa thành trạng thái của chúng.
Ba nguyên tố hóa học đó là Strontium, Cesium và Erbium đã được các
nhà nghiên cứu ở Innsbruck ngưng tụ thành công trong những năm trở lại đây.
Một bước tiến quan trọng mà Rudolf Grimm cùng nhóm đồng nghiệp của ông
đã thực hiện hồi năm 2002, đó là Cesium đã được ngưng tụ thành công, đã
đem lại hàng loạt những thành tựu cho khoa học trong những năm tiếp theo.
Florian Schreck, một thành viên thuộc nhóm nghiên cứu của Rudolf Grimm,
là người đầu tiên hiện thực hóa một ngưng tụ của Strontium hồi năm 2009. Và
nay Francesca Ferlaino lập tiếp kì công này với nguyên tố Erbium.
1.1.2.2. Lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng Hall ở một BEC
Hiệu ứng Hall được tạo thành từ sự tương tác của dòng điện và từ trường
phổ biến với kim loại và chất bán dẫn. Hiệu ứng Hall được thay đổi và cải
tiến để ứng dụng rất nhiều trong kĩ thuật và trong vật lý từ những hệ thống tự
đánh lửa tự động cho đến những phép đo cơ bản của điện học. Những phát
hiện mới này làm cho các nhà vật lý hiểu được tường minh hơn về cơ sở vật
lý của các hiện tượng lượng tử như hiệu ứng Hall lượng tử.
Hiệu ứng Hall do Edwin Hall tìm ra vào năm 1879, để hiểu một cách
đơn giản ta hãy xét một chất dẫn điện hình chữ nhật ví dụ một tấm đồng hình
chữ nhật và dọc theo chiều dài của tấm đồng ta cho một dòng điện đi qua nó.
Khi đó ta đặt vuông góc miếng đồng vào trong một từ trường, thì dưới tác
dụng của một lực vuông góc với mặt phẳng chứa dòng điện và từ trường làm
5
cho đường đi của các hạt mang điện bị lệch. Dưới tác dụng của từ trường các
hạt mang điện bị dồn một bên của tấm đồng từ đó hình thành nên một hiệu
điện thế gọi là hiệu điện thế Hall. Hiệu điện thế này có thể dùng để xác định
những đặc tính bên trong các hệ thống điện như nồng độ hạt mang điện.
“Các hệ nguyên tử lạnh là một nền tảng quan trọng để nghiên cứu nền
Vật lý phức tạp vì chúng gần như không có tạp chất gây cản trở, các nguyên
tử chuyển động chậm hơn nhiều so với các electron trong chất rắn, và các hệ
cũng đơn giản hơn nhiều”, nhà nghiên cứu NIST Lindsay LeBlanc nói.
Dựa vào công trình NIST làm cơ sở việc xác định hiệu ứng Hall ở một
ngưng tụ Bose-Einstein được thực hiện để hình thành nên điện từ trường nhân
tạo. Trước hết, họ sử dụng laser gắn kết năng lượng của các nguyên tử với
xung lượng của chúng, tức là nhóm hai trạng thái bên trong thành một liên
kết. Dẫn đến những nguyên tử trung hòa về điện tác dụng như thể chúng
mang điện. Từ một đám mây chứa một lượng lớn các nguyên tử, các nhà khoa
học cho lực bắt giữ biến thiên tuần hoàn - đẩy các nguyên tử trong đám mây
lại gần nhau rồi lại hút chúng ra xa - để diễn tả sự di chuyển của các hạt tích
điện. Kết quả, về mặt toán học các nguyên tử bắt đầu chuyển động giống với
cách chuyển động của các hạt mang điện dưới tác dụng của hiệu ứng Hall,
nghĩa là vuông góc với mặt phẳng của từ trường và dòng điện.
1.2. Lý thuyết trường trung bình
1.2.1. Thế tương tác
Xét hệ ngưng tụ Bose-Einstein một thành phần được hình thành từ trạng
thái cơ bản của hệ hạt có spin nguyên (hệ boson) ở điều kiện độ không tuyệt
đối. Để tìm hiểu một hệ khí nào đó, ta đi nghiên cứu năng lượng của hệ ở
trạng thái cơ bản. Phương trình Hamilton dạng tổng quát cho hệ có dạng
p 2
1 N N
i
ˆ
ˆ
H
Vext ri V ri rj ,
2 i 1 j 1
i 1 2m
N
6
(1.1)
với số hạng thứ nhất bên vế phải là động năng của hạt thứ i, số hạng thứ hai
mô tả trường thế năng bên ngoài, thông thường nó là trường thế giam cầm hệ
trong một không gian nhất định, số hạng còn lại biểu thị tương tác cặp giữa N
hạt trong hệ. Để tìm năng lượng của hệ ta sử dụng phương pháp cực trị. Từ
năng lượng tự do ta có năng lượng cần làm cực tiểu F E N , với E là
năng lượng và là thế hóa học.
Với toán tử Hamilton Hˆ và hàm sóng y năng lượng có dạng
E y
y Hˆ y
yy
.
(1.2)
Dựa vào (1.2) để tìm giá trị nhỏ nhất của năng lượng tự do F. Vì hệ đang
khảo sát có N hạt, nên ta có thể phối hợp hàm sóng y i với mọi hàm sóng của
các hạt trong hệ. Nhưng để giải được của bài toán chúng ta phải dùng phương
pháp gần đúng trường trung bình. Tức là bỏ qua tất cả các chỉ số của hàm
sóng.
Bằng phương pháp này, năng lượng tự do cần được cực tiểu hóa trong
không gian hàm sóng có dạng y y y , trong đó là tích
tenxơ và do đó là tích tenxơ của N hàm sóng của các hạt trong hệ; ta đang
khảo sát bài toán với điều kiện chuẩn hóa 1.
Việc giải bài toán từ đây tương đương với việc tìm giá trị nhỏ nhất của
năng lượng tự do F Hˆ . Xét từng số hạng trong biểu
thức.
Xét động năng của hệ
7
2
y * ri y ri dri
i 1 2m
i 1 2m
ˆ i2
N
N
2
*
N
y
r
y
r
i
i dri
2m
2
2
N
y
r
dr
2m
2
*
2
N
y
r
y
r
dr .
2m
(1.3)
Như đã trình bày ở trên là tích tenxơ của N hàm sóng của các hạt
và y ri là hàm sóng của một hạt, để có được kết quả sau cùng trong biểu
thức (1.3) chúng ta áp dụng tính chất của hàm Green. Khi đó thế năng của hệ
có dạng
V r
N
ext
i
i 1
N y * r 2y r dr .
(1.4)
Số hạng cuối cùng mô tả tương tác giữa N hạt trong hệ có dạng sau
1 N N
V ri rj
2 i 1 j 1
1 N N
* *
(1.5)
dr
y
r
y
r
V
r
r
y
r
y
r
i
i
j
i
j
i
j drj
2 i 1 j 1
N N 1 N N
* *
d r .
dr
y
r
y
r
V
r
r
y
r
y
r
2
i 1 j 1
Xét số hạng cuối cùng ở biểu thức của năng lượng tự do
y * r y r dr
N
,
(1.6)
Biểu thức có dạng như trên để dễ dàng cho việc tính toán.
Tiếp theo ta sẽ khảo sát biến thiên nhỏ của hàm sóng y r , thực ra ta
phải khảo sát sự biến thiên của các thành phần thực và ảo của hàm sóng khi
đó chúng ta xem như y và y * độc lập với các biến số. Từ đây ta có đạo hàm
8
cho các biểu thức (1.3) và (1.4). Với biểu thức (1.5), ta có đạo hàm hai
y *
lần của hàm sóng y * , nhưng r có thể biến đổi vì vậy ta có
1 N N
V
r
i rj
y *
2 i 1 j 1
N N 1 y *
(1.7)
* 2
y r V r r y r dr .
Đối với thế hóa ta có công thức sau
N y * r y r dr
*
y
N 1
y
*
r y r dr
N y * r y r dr .
(1.8)
Thế đồng thời các công thức trên vào biểu thức lấy biến phân của năng
lượng tự do F ta thu được
2 2
ˆ r y r
y
r
V
ext
*
F
2m
0
N
y . (1.9)
*
2
y *
N 1 y r V r r d r y r y r
Đa số thế tương tác được chọn có dạng sau
4 2
V r r
a r r ,
2m
với a là chiều dài tán xạ sóng s, sử dụng gần đúng N 1 N cuối cùng ta thu
được
2 2
4 2
2
ˆ
y r Vext r y r
a y r y r y r .
2m
2m
(1.10)
Công thức (1.10) gọi là phương trình Gross-Pitaevskii không phụ thuộc
vào thời gian. Chiều dài tán xạ a xác định độ tương tác giữa các boson. Nếu
a 0 biểu thị tương tác hút, nếu a 0 biểu thị tương tác đẩy. Do đó ta có kết
9
luận cực tiểu hóa năng lượng E tương đương với cực tiểu hóa năng lượng tự
do F E N .
1.2.2. Phương trình Gross-Pitaevskii.
Xét hệ ngưng tụ Bose-Einstein một thành phần được diễn tả bởi hàm
Lagrangian L và hàm tác dụng S có dạng,
S dtL dtdrL1.
(1.11)
Trong gần đúng trường trung bình hàm Lagrangian được viết như sau
*
L1 i
.
t
*
(1.12)
Đại lượng trong (1.12) gọi là mật độ Hamilton, nó có dạng
2 * 2
g 4
,
2m
2
(1.13)
với r , t là hàm sóng của hệ ở trạng thái cơ bản; m là khối lượng của
hạt, g là hằng số tương tác dương theo as được xác định bởi công thức
g
4 2
as .
m
(1.14)
Thông qua việc cực tiểu hóa hàm tác dụng S theo *
S
0.
*
(1.15)
Phương trình Gross-Pitaevskii phụ thuộc vào thời gian thu được có dạng
2 2
2
i
U g ,
t 2m
(1.16)
với U là thế năng tương tác ngoài.
Bây giờ ta có thể viết hàm sóng dưới dạng
(r , t ) y (r ).eit / . (1.17)
Thế (1.17) vào (1.16) ta có được công thức sau
10
2 2
3
y y g y 0.
2m
(1.18)
Khi các thành phần ngưng tụ được phân bố dọc theo phương Oz và có
tính chất đối xứng tịnh tiến theo các phương Ox, Oy thì (1.18) sẽ được viết lại
2 d 2y
3
y g y 0. (1.19)
2
2m dz
Đưa phương trình (1.19) về dạng không thứ nguyên bằng cách đưa ra
một số đại lượng sau
.
2mgn0
-
Độ dài đặc trưng:
-
Tọa độ: z / .
(1.20)
Hàm sóng rút gọn: y / n0 với n0 là mật độ khối của hạt.
Từ đây, ta có
-
dy dy d 1 dy
dz d dz d
d 2y
1
1
d 2
2 2 2 n0 2 .
dz
d
(1.21)
Thế (1.20) và (1.21) vào (1.19) ta thu được biểu thức sau
2 gn0
1
. n0
2
d 2
gn0 n0 gn0 n0 3 0.
2
d
Khi đó phương trình (1.19) dưới dạng không thứ nguyên có dạng
2 3 0.
(1.22)
N n0 2 d , (1.23)
0
Phương trình (1.22) chính là phương trình Gross-Pitaevskii không phụ
thuộc vào thời gian.
11
1.3. Phương pháp gần đúng parabol kép (Double parabola approximationDPA).
Xuất phát từ ngưng tụ Bose-Einstein một thành phần để tìm hiểu thế nào
là gần đúng parabol kép? Xét BEC một thành phần chỉ bị giới hạn bởi một
tường cứng (optical wall) tại đó z 0. Xét thế tương tác trong công thức
(1.19) có dạng
V y 2
g 4
y . (1.24)
2
Đưa về dạng không thứ nguyên như (1.20), ta có
g
V gn0 n0 . 2 n02 4
2
2
0
2
V gn (
Đặt
4
2
)
V
4
2
(
).
gn02
2
V
VGP , khi đó ta có
gn02
VGP 2
4
2
(1.25)
.
Các tham số trật tự giảm dần từ một ở gần mặt thoáng, do đó trong gần
đúng bậc nhất ta có thể đặt
1 a,
(1.26)
với a nhỏ và là số thực.
Thế (1.26) vào (1.25) thu được
1
VGP (1 a)2 (1 a)4
2
1
1 2a a 2 1 4a 6a 2 4a3 a 4
2
1
1
2a 2 2a3 a 4 .
2
2
12
Khai triển VGP lấy đến gần đúng bậc hai ta có
VDPA 2a
1
1
2( 1) 2 ,
2
2
(1.27)
trong đó VDPA là thế gần đúng trong parabol kép.
0.4
V
0.2
0.0
0.2
0.4
1.5
1.0
0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Hình 1.1: Thế tương tác theo tham số trật tự
Trên hình 1.1 là đồ thị biểu diễn thế tương tác theo tham số trật tự , với
đường nét liền biểu diễn thế GP, đường nét đứt biểu diễn thế DPA. Vì VGP có
hai giá trị nhỏ nhất và khi thay vào phương trình Gross-Pitaevskii thì không
thể giải trực tiếp. Vì vậy thế GP được thay thế bởi hai đường parabol ghép lại
với nhau nên được gọi là gần đúng parabol kép.
13
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong chương này, chúng tôi đã nêu được tổng quan về nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm của trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein. Đưa ra được
phương trình Gross-Pitaevskii không phụ thuộc vào thời gian và phương trình
Gross-Pitaevskii phụ thuộc vào thời gian, phép gần đúng parabol kép và trạng
thái cơ bản trong gần đúng parabol kép. Sử dụng phần mềm Mathematical để
vẽ đồ thị biểu diễn thế tương tác theo tham số trật tự .
14
CHƯƠNG 2
SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CỦA NGƯNG TỤ BOSE-EINSTEIN MỘT
THÀNH PHẦN TRONG THỐNG KÊ CHÍNH TẮC
2.1. Các hệ thống kê.
2.1.1. Hệ hạt đồng nhất.
Khảo sát hệ gồm N hạt chuyển động phi tương đối tính. Khi đó phương
trình viết cho toán tử Hamilton có dạng
N
ˆ i2 ˆ
ˆ
ˆ
H
V r1 , r2 ,, rN W,
2
m
i 1
(2.1)
ˆ là toán tử biểu thị cho
với Vˆ là toán tử thế năng tương tác giữa các hạt, W
tương tác spin - quỹ đạo.
Hàm sóng của phương trình Schrodinger có dạng
ˆ
i H y 1, 2,, N , t 0,
t
(2.2)
trong đó toán tử Hamilton là hàm của tọa độ không gian, thời gian và spin.
Tính không phân biệt được các hạt đồng nhất theo các trạng thái trong cơ
học lượng tử dẫn tới nguyên lý về tính đồng nhất: Trong hệ các hạt đồng nhất
chỉ tồn tại những trạng thái không thay đổi khi đổi chỗ các hạt đồng nhất cho
nhau.
Hệ hạt đồng nhất được chia thành hai nhóm dựa vào tính chất nội tại của
nó:
1 3
+ Hệ fermion: gồm các hạt fermi có spin bán nguyên , ... ; ví dụ hạt
2 2
quark, hạt neutrino,… Hệ này chịu sự chi phối của nguyên lý cấm Pauli:
“không thể tồn tại hai hoặc nhiều hơn các hạt fermion giống nhau ở cùng một
trạng thái lượng tử”.
15
+Hệ boson: gồm các hạt bose có spin nguyên; ví dụ photon,… Hệ này không
chịu sự chi phối của nguyên lý cấm Pauli.
Vì hệ boson tuân theo thống kê Bose-Einstein do đó các nhà khoa học đã
vận dụng thống kê Bose-Einstein tìm ra các đặc trưng của boson là ngưng tụ
Bose-Einstein trong đó nhiều hạt giống nhau có vai trò như nhau và như một
hạt.
2.1.2. Hệ vi chính tắc
Đối với hệ nằm trong trạng thái cân bằng nhiệt động, hàm phân bố thống
kê là hàm chỉ của năng lượng [3]:
X f H X , a
(2.3)
Đồng thời hàm phân bố phải thỏa mãn điều kiện chuẩn hóa
X dX 1.
(2.4)
x
Rõ ràng là, dạng cụ thể của hàm f ( H ) phụ thuộc vào hệ vĩ mô (hệ nhiệt
động), hoặc là theo quan điểm vĩ mô, thì nó phụ thuộc vào tính chất của mối
liên hệ của hệ với các vật bên ngoài và vào phương pháp lựa chọn hệ. Thường
có hai loại hệ là hệ đoạn nhiệt (hệ không tương tác với các vật bên ngoài) và
hệ đẳng nhiệt (hệ có nhiệt độ rất cao được xác định và cho trước, có nhiệt
dung rất lớn).
Ta xét một hệ đoạn nhiệt với các thông số ngoại là hằng số. Đối với một
hệ như vậy, hiển nhiên có
H X , a E const.
(2.5)
Hàm f a phải có dạng cực đại nhọn, bởi vì năng lượng của hệ phải có
giá trị hoàn toàn xác định và sẽ không thay đổi với thời gian. Nói khác đi
năng lượng của hệ không thể sai lệch một cách đáng kể với giá trị hoàn toàn
16
xác định E , tức là
E
phải tiến đến 0. Như vậy, đối với hệ đoạn nhiệt ta có
E
thể viết
X
1
E H X , a .
E, a
(2.6)
Chú ý rằng không thể có một hệ thực nào có thể hoàn toàn cô lập, có một
năng lượng triệt để không đổi, mà bao giờ bên trong hệ cũng luôn luôn có các
thăng giáng. Với
1
là thừa số chuẩn hóa được xác định từ điều kiện
E, a
chuẩn hóa nghĩa là
E , a E H X , a dX .
(2.7)
x
Công thức (2.7) được gọi là phân bố vi chính tắc Gipxơ. Từ đó ta có thể
tính được trị trung bình của các đại lượng vật lí bất kì đối với hệ cô lập đoạn
nhiệt dựa vào công thức
F FX
x
1
E H X , a dX ,
E, a
(2.8)
với đại lượng E , a có ý nghĩa hình học cụ thể. Ta hãy xét tích phân của
E , a theo năng lượng lấy trong khoảng giới hạn từ giá trị cực tiểu khả hữu
E0 của năng lượng của hệ tới giá trị E :
E
E
E , a , a d H X , a d dX .
E0
(2.9)
x E0
Do đó tính chất của hàm , biểu thức dưới dấu tích phân trong (2.9) (tức
là tích phân theo x) có trị số bằng 1 khi E0 H X , a E , và bằng không khi
H X , a E .
Do đó
17
E, a
dX ,
(2.10)
H X , a E
tức là E , a chính là thể tích pha chứa đựng trong siêu diện năng lượng xác
định bởi phương trình H X , a E . Như vậy
, a
E , a
.
E
(2.11)
Và do đó E , a dE có nghĩa là thể tích pha của một lớp vô cùng mỏng bao
gồm các siêu diện H X , a E và H X , a E dE trong không gian pha.
Để làm sáng tỏ ý nghĩa nhiệt động của đại lượng E , a ta xét vi phân
của
:
d ln
1
dE
da .
E
a
Theo (2.9)
E , a
E
H X , a E
E0
H
X
,
a
d
E
H
X
,
a
0
dX
( x) a E
a
0
H X , a
E
E0 H X , a dX 0 E0 , a .
a
a
x
Hiển nhiên là 0 khi E E0 theo (2.9), nghĩa là E0 , a 0 từ đó
E0 , a
0 , và tận dụng khái niệm về trị trung bình (2.8), ta được
E0
H
a
a
A,
18
(2.12)