Eksamen i fag FY8104 Symmetri i fysikken Fredag 7. desember 2007 Tid:

Like dokumenter
Eksamen i fag FY8104 Symmetri i fysikken Fredag 7. desember 2007 Tid:

Eksamen FY8104 Symmetri i fysikken Fredag 7. desember 2007 Løsninger

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

Litt GRUPPETEORI for Fys4170

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

Eksamensoppgave i FY8104 / FY3105 Symmetrigrupper i fysikken

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

En samling av mer eller mindre relevante formler (uten nærmere forklaring) er gitt til slutt i oppgavesettet.

Eksamensoppgåve i KJ1041 Kjemisk binding, spektroskopi og kinetikk

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fredag 19. august 2005 kl

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsning til øving 17 for FY1004, våren 2008

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I EMNE TMA4265/SIF5072 STOKASTISKE PROSESSER Onsdag 10. august 2005 Tid: 09:00 13:00

En partikkel med masse m befinner seg i et éndimensjonalt, asymmetrisk brønnpotensial

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

Oppgavesett. Kapittel Oppgavesett 1

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Lørdag 8. august 2009 kl

EKSAMEN I ST2101 STOKASTISK MODELLERING OG SIMULERING Onsdag 1. juni 2005 Tid: 09:00 14:00

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Fys-2000 Kvantemekanikk Dato: 5. juni 2013 Tid: Kl Sted: Åsgårdveien 9. og fysikk, lommekalkulator

MAT Grublegruppen Notat 11

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Karakterer. Kapittel Homomorfier av grupper. 8.2 Representasjoner

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

Oppgave 1. NORSK TEKST Side 1 av 4. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG SIF5045 NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER

Løysingsforslag (Skisse) Eksamen FY3452 Gravitasjon og Kosmologi Våren 2007

Eksamen i fag RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 26. mai 2000 Tid: 09:00 14:00

Vi viser denne ekvivalensen ved å vise begge implikasjoner. " "Anta at G virker trofast på X og anta at g, h G er slik at gx = hx for alle

EKSAMENSOPPGAVE. FYS 2000, Kvantemekanikk Dato: 7. Juni 2017 Klokkeslett: 9:00-13:00 Sted: Tillatte hjelpemidler: rute.

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Mandag 23. mai 2005 kl

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser høsten 2009.

MA1201/MA6201 Høsten 2016

Løsningsforslag til eksamen i FY8306 KVANTEFELTTEORI Fredag 9. juni 2006

NORSK TEKST Side 1 av 4. Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

Oppgave 14 til 9. desember: I polynomiringen K[x, y] i de to variable x og y over kroppen K definerer vi undermengdene:

16 Ortogonal diagonalisering

EKSAMEN I FY2045/TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Mandag 8. august 2011 kl

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Universitetet i Agder Fakultetet for teknologi og realfag Institutt for matematiske fag. Eksamen MA desember Lykke til!

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4265 Stokastiske prosesser

MA1201 Lineær algebra og geometri Løsningsforslag for eksamen gitt 3. desember 2007

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Torsdag 12. august 2004 kl

EKSAMEN I FAG SIF4062 FASTSTOFFYSIKK VK Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk Tirsdag 8. mai 2001 Tid: Sensur faller 29.

EKSAMEN I FY2045 KVANTEMEKANIKK I/ TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Tirsdag 10. august 2010 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

EKSAMEN I MA1202 OG MA6202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

TMA4265 Stokastiske prosesser ST2101 Stokastisk simulering og modellering

Løsningsforslag til eksamen i SIF4022 Fysikk 2 Tirsdag 3. desember 2002

a) Matrisen I uv T har egenverdier 1, med multiplisitet n 1 og 1 v T u, med multiplisitet 1. Derfor er matrisen inverterbar når v T u 1.

MA-132 Geometri Torsdag 4. desember 2008 kl Tillatte hjelpemidler: Alle trykte og skrevne hjelpemidler. Kalkulator.

Løsningsforslag Eksamen 13. august 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Vær OBS på at svarene på mange av oppgavene kan skrives på flere ulike måter!

EKSAMEN I EMNE SIF5072 STOKASTISKE PROSESSER Onsdag 31. juli 2002 Tid: 09:00 14:00

Eksamensoppgave i MA0301 Elementær diskret matematikk løsningsforslag

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

NORSK TEKST Side 1 av 4. Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I EMNE SIF5072 STOKASTISKE PROSESSER Lørdag 16. august 2003 Tid: 09:00 14:00

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser

Eksamensoppgave i TFY4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystemer

EKSAMENSOPPGAVE. 4 (1+3) Det er 12 deloppgaver (1abc, 2abcd, 3abc, 4ab) Andrei Prasolov

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

5.5.1 Bruk matriseregning til å vise at en rotasjon er produktet av to speilinger. Løsningsforslag + + = =

EKSAMEN I TMA4285 TIDSREKKEMODELLER Fredag 7. desember 2012 Tid: 09:00 13:00

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 29. mai 2010 kl

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

TMA4265 Stokastiske prosesser

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

Oppgaver MAT2500. Fredrik Meyer. 29. august 2014

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 INNFØRING I KVANTEFYSIKK Onsdag 11. august 2010 kl

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFY 4102 FYSIKK

Løsningsforslag til eksamen i FY3404/FY8307 RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 9. juni 2006

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

Oppgaver MAT2500. Fredrik Meyer. 29. september 2014

Transkript:

Side 1 av 6 Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for fysikk Faglig kontakt under eksamen: Navn: Jan Myrheim Telefon: 73 59 36 53 (mobil 90 07 51 72) Sensurfrist: Lørdag 22. desember 2007 Eksamen i fag FY8104 Symmetri i fysikken Fredag 7. desember 2007 Tid: 09.00 13.00 Tillatte hjelpemidler: Kalkulator, matematiske tabeller. Alle deloppgaver teller likt ved sensuren. Oppgave 1: En generell tredimensjonal rotasjonsmatrise R, med detr = 1, kan skrives som R = exp(α n λ) = exp(α(n 1 λ 1 + n 2 λ 2 + n 3 λ 3 )), der α er rotasjonsvinkelen, enhetsvektoren n er rotasjonsaksen, og 0 0 0 0 0 1 λ 1 = 0 0 1, λ 2 = 0 0 0, λ 3 = 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 En generell tredimensjonal refleksjonsmatrise S, med det S = 1, kan skrives som S = R, der R er en rotasjonsmatrise. Da er R exp(β m λ)r 1 = exp(βr( m λ)r 1 ) = exp(β(r m) λ), S exp(β m λ)s 1 = exp(β S( m λ)s 1 ) = exp(β(r m) λ). Til SO(3)-matrisen R svarer SU(2)-matrisen U = exp ( i α2 ) ( ) ( ) α α n σ = cos I isin n σ, 2 2 der I er identitetsmatrisen og komponentene av σ er de Hermiteske Pauli-matrisene ( ) ( ) ( ) 0 1 0 i 1 0 σ 1 =, σ 1 0 2 =, σ i 0 3 =. 0 1. Da er Uexp ( i β ) 2 m σ U 1 = exp ( i β ) 2 U( m σ)u 1 = exp ( i β ) 2 (R m) σ.

Eksamen i fag FY8104 Side 2 av 6 a) Beskriv konjugasjonsklassene i gruppene SO(3), O(3) og SU(2). b) Hva er sentret til SU(2) (undermengden av gruppeelementer som kommuterer med alle gruppeelementene)? Hva er sentret til SU(3)? Hint: Du kan bruke Schurs lemma, siden både SU(2) og SU(3) er irredusible representasjoner av seg selv. c) Definer, for hver U SU(2), ρ 1 (U) = U, ρ 2 (U) = U = den komplekskonjugerte av U. Både ρ 1 og ρ 2 er representasjoner av SU(2) (siden ρ 1 (UV) = ρ 1 (U)ρ 1 (V) og ρ 2 (UV) = ρ 2 (U)ρ 2 (V)). Vis at de er ekvivalente representasjoner. Hva kan dette resultatet fortelle oss om karakterene χ 1 (U) = Tr ρ 1 (U) = TrU? Hint: Et direkte bevis for ekvivalensen er å finne en kompleks 2 2-matrise V, for eksempel V SU(2), slik at U = VUV 1 for alle U SU(2). d) Definer, for hver U SU(3), ρ 1 (U) = U, ρ 2 (U) = U. Vis at ρ 1 og ρ 2 er inekvivalente representasjoner av SU(3). e) Kvaterniongruppen har åtte elementer ±1, ±i, ±j og ±k, med multiplikasjonsreglene i 2 = j 2 = k 2 = 1, ij = ji = k, jk = kj = i, ki = ik = j. Den er en undergruppe av SU(2), for eksempel når vi identifiserer 1 I, i iσ 1, j iσ 2, k iσ 3. Finn karaktertabellen til kvaterniongruppen. Følgende ortogonalitetsrelasjoner gjelder for en endelig gruppe av orden N. La χ (µ) i være karakteren til konjugasjonsklassen i, med N i elementer, i den irredusible representasjonen µ. Da er i N i (χ (µ) i ) χ (ν) i = N δ µν, µ (χ (µ) i ) χ (µ) j = N δ ij. N i

Eksamen i fag FY8104 Side 3 av 6 Oppgave 2: Figur 1 viser et plant heksagonalt gitter, som beskriver for eksempel hvordan karbonatomene er arrangert i et monatomisk lag av grafén. De fundamentale translasjonsvektorene a 1 og a 2 er vist. Translasjonssymmetrigruppen til gitteret består av alle translasjonene a = m a 1 +n a 2 med m og n heltallige. a 2 2 a 1 + a 2 a 1 Figur 1: Et plant heksagonalt gitter (grafén). a) Beskriv den fulle tredimensjonale punktgruppen til det heksagonale gitteret. Hva er ordenen til denne gruppen (antallet elementer)? For enkelhets skyld vil vi heretter se på det heksagonale gitteret som en todimensjonal struktur. Punktgruppen er da C 6v, som har en seksfoldig rotasjonsakse og seks vertikale refleksjonsplan. Det todimensjonale resiproke gitteret spennes ut av de resiproke basisvektorene b 1 og b 2, definert ved dualitetsbetingelsene b1 a 1 = b 2 a 2 = 1, b1 a 2 = b 2 a 1 = 0. En bølgevektor k = k 1 b1 + k 2 b2 definer en irredusibel unitær representasjon av translasjonsgruppen, slik at a = m a 1 + n a 2 e i k a = e i(k 1m+k 2 n). (1) Figur 2 viser den såkalte første Brillouin-sonen av bølgevektorer som definerer irredusible representasjoner av translasjonsgruppen til det heksagonale gitteret.

Eksamen i fag FY8104 Side 4 av 6 2π b 2 D C k4 k3 k5 k2 k6 2 k1 A k7 3 k12 k8 k11 k9 k10 2π b 1 E F B Figur 2: Første Brillouin-sone. Brillouin-sonen inkluderer alle de irredusible representasjonene til den diskrete translasjonsgruppen, siden to bølgevektorer k og k+2π(m b1 +n b2 ) med m og n heltallige definerer den samme irredusible representasjonen. For en bølgevektor på randa av Brillouin-sonen finnes det minst en annen bølgevektor på randa som definerer den samme irredusible representasjonen. Det vil si at randstykket AB, i retning fra A til B, identifiseres med randstykket ED, i retning fra E til D. Randstykkene BC og FE identifiseres, likeså randstykkene CD og AF. Hjørnene A, B, C, D, E og F er spesialtilfeller, siden de tre hjørnene A, C, E definerer samme representasjon, og B, D, F definerer samme representasjon. b) En irredusibel unitær representasjon av translasjonsgruppen må være endimensjonal, som i ligning (1). Hvorfor?

Eksamen i fag FY8104 Side 5 av 6 c) Vi tar for oss et elektron som beveger seg i et potensial med symmetrien til det plane heksagonale gitteret. For enkelhets skyld ser vi bort fra egenspinnet til elektronet, og antar at den fysiske tilstanden til elektronet beskrives av en skalar bølgefunksjon ψ = ψ( r). En symmetritransformasjon r r = f( r) transformerer bølgefunksjonen ψ til ψ, slik at ψ ( r ) = ψ( r). Det betyr at ψ ( r) = ψ(f 1 ( r)). Vi skriver ψ = U(f)ψ, der U(f) er den unitære operatoren som representerer transformasjonen f. Spesielt er U( a) og U(R) de unitære operatorene som representerer translasjonen a = m a 1 + n a 2 og rotasjonen eller refleksjonen R. Vis at hvis U( a)ψ = e i k a ψ, og ψ = U(R)ψ, så er U( a)ψ = e i k a ψ med k = R k. Med den samme notasjonen, vis at ψ og ψ er ortogonale hvis e i k a e i k a. Hint: Du kan vise mer generelt at to egentilstander til en unitær operator med ulike egenverdier er ortogonale. d) Gitt en typisk bølgevektor k 1 innenfor Brillouin-sonen, og en bølgefunksjon ψ 1 med U( a)ψ 1 = e i k 1 a ψ 1. Bølgevektoren k 1 transformeres av punktgruppen C 6v over i en stjerne av 12 bølgevektorer k1 til k 12, som vist i Figur 2. Tilsvarende transformeres bølgefunksjonen ψ 1 over i et sett av 12 ortogonale bølgefunksjoner ψ 1 til ψ 12. Disse 12 bølgefunksjonene er ortogonale basisvektorer som definerer en 12-dimensjonal unitær matriserepresentasjon av hele romgruppen, inkludert translasjoner, rotasjoner og refleksjoner. Vis at dette er en redusibel representasjon av punktgruppen C 6v, og finn multiplisitetene til de irredusible representasjonene den inneholder. Karaktertabellen til gruppen C 6v er gitt nedenfor, side 6. e) I den 12-dimensjonale matriserepresentasjonen av romgruppen beskrevet ovenfor, representeres alle translasjonene av diagonale matriser. Vis at hvis en 12 12-matrise kommuterer med alle translasjonene, så må den være diagonal. Vis videre at hvis en diagonalmatrise kommuterer med alle rotasjonene og refleksjonene, så må alle diagonalelementene være like. Som konklusjon: enhver 12 12-matrise som kommuterer med alle translasjonene, rotasjonene og refleksjonene, må være et multiplum av identitetsmatrisen. Beviser dette at vi har en irredusibel representasjon av romgruppen? Forklar hvorfor eller hvorfor ikke.

Eksamen i fag FY8104 Side 6 av 6 f) Et karbon nanorør er et ark av grafén som rulles opp til en sylinder. Opprullingen beskrives av to heltall M og N, slik at et punkt r i planet identifiseres med punktet r + M a 1 + N a 2. Se Figur 1 for et eksempel med M = 2, N = 1. Punktgruppen til nanorøret er en undergruppe av C 6v. Hvilken undergruppe? Svaret kan avhenge av heltallene M og N. For hvilke verdier av M og N inneholder punktgruppen til nanorøret refleksjonssymmetrier? Et nanorør sies å være kiralt hvis det ikke har noen refleksjonssymmetri. g) Translasjonen M a 1 + N a 2 er identitetstransformasjonen på nanorøret, og denne kjensgjerningen legger en restriksjon på mengden av bølgevektorer som definerer representasjoner av translasjonsgruppen. Det er mulig å se på Brillouin-sonen til nanorøret som en delmengde av Brillouin-sonen til det heksagonale gitteret. Beskriv denne delmengden. De irredusible karakterene til C 6v Notasjon: E: enhetselementet; C n : rotasjon av orden n, (C n ) n = E; σ: refleksjon; A, B: endimensjonale representasjoner; E: todimensjonale representasjoner. E C 2 2C 3 2C 6 3σ d 3σ v A 1 1 1 1 1 1 1 A 2 1 1 1 1 1 1 B 1 1 1 1 1 1 1 B 2 1 1 1 1 1 1 E 1 2 2 1 1 0 0 E 2 2 2 1 1 0 0