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费米子波函数的结构研究内容和预期成果摘要120字-科学网—博客
费米子波函数的结构
研究内容和预期成果摘要120 字
我们将深入研究一个费米子波函数的内部结构,同时我们将利用自主开发的算法
研究强关联电子系统里电子间几何纠缠度的标度行为及时间演化等。我们预期能
够对费米子波函数的结构获得更深刻的认识,并发现其对通常物理学家关心的物
理量的影响。
本研究项目的科学依据和意义 (包括科学意义和应用前景,国内外研究概况、水
平和发展趋势,学术思想,立论根据,特色或创新之处,主要参考文献目录和出
处)
但凡学过量子力学的都知道全同费米子系统波函数的交换反对称性。因为这一性
质,一个直接的同样众所周知的结果是所谓的Pauli 不相容原理,即两个全同费
米子不能同时处于同一轨道。用单粒子约化矩阵的语言讲,即一个全同费米子波
函数的单粒子约化密度矩阵的本征值小于或者等于1。Pauli 不相容原理意义深远,
比如日常生活中所接触的各种金属的比热之所以是实验所测得的那些值,而不是
那些值的几倍,即是因为 Pauli 不相容原理使得电子只能按照费米海的方式填充,
进而导致在室温下,只有极少一部分电子能够被热激发从而对比热有贡献。
然而,事实上,全同费米子系统波函数的全反对称性可以导致更为深刻更为细致
的结果。一个惊人的(可惜绝非广为人知)的事实为Borland 和Dennis 于1972
年前后发现 [1,2]。他们通过数值实验(他们的工作是最早的利用计算机研究物
理和数学问题的实践之一。按照今天的术语,他们所做的属于实验数学)发现,
对于三个全同费米子处于六个轨道上的情况,系统波函数的单粒子约化密度矩阵
的6 个本征值(按照从大到小的顺序排列,即a1=a2)满足如下线性等式和不等
式
a1+a6 = a2+a5 = a3+a4 = 1,
a4 = a5+a6.
这比Pauli 不相容原理强得多!后者只能给出 0=ai=1 的限制。这意味着很多
满足Pauli 不相容原理的谱其实不能由某个真实的波函数的单粒子约化密度矩阵
来实现。比如,(3/4,3/4,3/4,3/4,0,0)就不可能是某个三费米子六轨道波
函数的单粒子约化密度矩阵的本征值谱,因为它同时违反以上两个约束。
由此可见,全同费米子波函数,因为其全反对称性,具有远比Pauli 不相容原理
更细致复杂的内部结构。
搞清楚这些结构是一方面是一个非常有价值非常有挑战性的数学问题,另一方面
相信将对量子信息,量子纠缠,计算量子化学等领域产生深远影响。事实上,物
理学家和化学家当初意识到费米子波函数里存在深刻的数学结构正是因为他们需
要计算多电子相互作用系统的基态能量。1952 年的一天,物理学家Coleman 突发
奇想 [3, 4],他意识到为了计算一个任意多电子系统的能量其实我们只需要知道
系统的二粒子约化密度矩阵,而不需要知道整体波函数本身,即整体波函数携带
有太多对计算能量而言不必要的冗余信息。这便意味着我们可以通过对二粒子约
化密度矩阵作变分来计算基态能量上限,而不需要对整体波函数作变分,前者比
后者简单得多。可是,他很快发现,用这个办法计算的锂原子的基态能量比其真
实的基态能量更低! 这是个极其荒谬的结果众所周知,变分法获得的基态
能量是真实基态能量的上限而非下限。
显然,问题出在变分策略上。这个荒谬的结果意味着,并非所有的合法的(即满
足厄米,正定,归一化三个条件)二粒子约化密度矩阵都可以由一个真实的费米
子波函数来实现。这便提出了著名的N-representability 问题,即什么样的单粒
子或者二粒子约化密度矩阵可以由一个真实的费米子波函数来实现。显然,这个
问题取决于总粒子数N 和总轨道数M。
在长达半个世纪的时间里,Borland-Dennis 发现是N-representability 问题上
的唯一的非平庸的结果,可见这个问题之难。1995 年,美国化学会干脆把这个问
题列为化学物理十个最重要的问题之一 [5]。转机出现在2006 年,在土耳其工作
的数学家 Klyachko 完整解决了单粒子约化密度矩阵的实现问题 [6, 7]。他发现,
一般的约束也是类似上面的线性等式和不等式。在二粒子约化密度矩阵的实现问
题上,芝加哥大学化学系Mazziontti 教授经过近20 年的努力,取得了很大进展
[8] 。不过,相比Klyachko 在单粒子约化密度矩阵的实现问题上的结果,其理论
还不那么令人满意。
回顾上面的历史,我们认为本课题的意义在于:(1)费米子波函数的潜在结构是
个非常基本,非常重要,同时非常有挑战性的数学和物理问题;(2)目前尚不明
确这些潜在的数学结构如何影响通常物理学家关心的物理量,比如系统的基态能
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