多能态结构量子跃迁的半经典建模与算法

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多能带量子力学体系是固体物理,量子化学等研究领域的重要模型,通常由一类Schr(o|¨)dinger方程来描述,典型的例子有,描述电子在晶体中运动的带有周期势的Schr(o|¨)dinger方程,和描述化学反应中分子状态的高维Schr(o|¨)dinger方程.通过Bloch分解或Born-Oppenheimer近似,此类方程的整体波函数可以分解到一组特定的特征基函数上去.在绝热假设下,即假定不同的特征基函数所对应的特征能带具有良好的分离性质,Schr(o|¨)dinger方程可以由一组没有相互作用的半经典的Liouville方程来近似描述.但是若特征能带在某个区域彼此接近,波经过此区域时,会发生显著的带间跃迁.在此情形下,绝热近似假设不再成立,需要一种新的半经典模型来刻画这种能带间跃迁效应.本文针对带有周期势的Schr(o|¨)dinger方程和两能带Schr(o|¨)dinger方程组,在绝热假设不成立的情况下,分别推导出了对应的耦合的半经典Liouville方程组.主要思想是通过Wigner变换和特征基对角化等工具,推导Schr(o|¨)dinger方程的半经典近似,保留了在能带跃迁效应中有重要作用的Wigner矩阵的非对角元,由此得到一组耦合的非齐次Liouville系统.此类模型具有以下特点:耦合的Liouville系统可以很好地描述能带间跃迁效应;在绝热假设前提下,该系统与原来的绝热的Liouville方程相容;应用此类系统所满足的一些多尺度的渐近性质,可以设计有效经济的算法.本文根据此类非绝热的半经典Liouville系统的性质,提出了耦合了绝热Liouville方程和非绝热Liouville系统的区域分解方法,降低了求解难度.数值算例表明,此类模型能够很好地捕捉到能带间的量子跃迁效应.
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