Mecánica cuántica/Operadores creación y aniquilación

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Bosones: Se define un estado |n⟩ como el de un sistema de n partículas idénticas todas ellas en el mismo estado. Se define un operador a tal que

a|n⟩=n|n−1⟩

a: operador de destrucción o aniquilación (transforma un estado de n partículas en uno de n-1 partículas).

⟨n|a†=n⟨n−1|

⟨n|a†a|n⟩=n⟨n−1|n−1⟩=n

⇒a†a|n⟩=n|n⟩

Al operador a†a≡N le llamamos operador número porque cuenta el número de partículas en el estado |n⟩.

a†a|n+1⟩=(n+1)|n+1⟩

a†n+1|n⟩⇒a†|n⟩n+1|n+1⟩

Por eso al operador a† le llamamos operador creación. Es el dual del operador destrucción.\\

⟹[a,a†]=aa†−a†a=ℐ

Demostración:

aa†|n⟩=(n+1)|n⟩

a†a|n⟩=n|n⟩

(aa†−a†a)|n⟩=|n⟩

El estado |0⟩ se denomina "vacío" ⟨0|0⟩=1

a|0⟩=0

"El vacío es lo que queda cuando quito todo lo que puedo quitar"

|n⟩=1n!(a†)n|0⟩

El formalismo puede extenderse a n partículas idénticas de las cuales n1 están en el estado |1⟩, n2 en |2⟩, etc.

|n1,n2…⟩(∑ni=n)

(se sobrenetiende que el estado está simetrizado ni: número de ocupación).

Se definen los operadores de destrucción ai y creación ai† de partículas en el estado |i⟩ del modo siguiente:

ai|n1…ni…⟩=ni|n1…ni−1…⟩

⇒ai†|n1…ni…⟩=ni+1|n1…ni+1…⟩

→ El operador número Ni=ai†ai

Ni|n1…ni…⟩=ni|n1…ni…⟩

⟹ [ai,sj†]=δijℐ

[ai,aj]=0=[ai†,aj†]

(|0⟩≡|00…⟩)

→|n1n2…⟩=1n1!n2!…(a1†)n1(a2†)n2|0⟩

Si los estados |i⟩ forman un continuo el formalismo define una teoria cuántica de campos.

Fermiones: Si el estado (antisimetrizado) de n partículas idénticas correspondeiente a fermiones, |n1n2…⟩, los números de ocupación deben ser igual a 0 o 1.


El operador de destrucción se define

ai|n1…ni…⟩≡(−1)νini|n1…1−ni…⟩

νi=∑k=1i−1nk

⇒a1†|n1…ni…⟩=(−1)ν1(1−ni)|n1…1−ni…⟩

que cuenta bien tanto si es 0 como si es 1

Ni=ai†ai

Ni|n1…ni…⟩=ni|n1…ni…⟩.

Se deducen

{ai,aj†}=δijℐ

donde el corchete es denominado anticonmutador y funciona como

{ai,aj†}=aiaj†+aj†ai

{ai,aj}=0={ai†,aj†}

a†a†+a†a†=0⇒ai2=0

(a†)2=0

No podemos añadir dos fermiones en el mismo estado

→|n1n2…⟩=(a1†)n1(a2†)n2…|0⟩

Oscilador armónico

Clásicamente: Partícula de masa m sometida a una fuerza recuperadora. En una dimensión

Hclas=p22m+12kx2

⇒ ω=km T=2πω ν=ω2π

ω2m=k

Cuánticamente:

H=p22m+12mω2x2

[X,P]=iℏ

¿Qué hicimos el año pasado?

a=mω2ℏX+i12ℏmωP

a†=mω2ℏX−i12ℏmωP

[a,a†]=…=ℐ([X,P]=iℏ)

que son los operadores creación y aniquilación.

|0⟩ vacío, a|0⟩=0

a†|n⟩=n+1|n+1⟩a|n⟩=n|n−1⟩

N=a†aN|n⟩=n|n⟩

N=mω2ℏX2+i2ℏXP−i2ℏPX+12mωℏP2

=1ωℏ(12mP2+mω22X2)⏞H−12

H=ωℏ(a†a+12)

H|n⟩=ωℏ(n+12)|n⟩

donde |n⟩ es el nivel energético del oscilador.

H|0⟩=12ℏω

¡Es distinto de 0! ¡Clásicamente no debería tener energia!