Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

Like dokumenter
Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

Eksamen i FY3466 KVANTEFELTTEORI II Tirsdag 20. mai :00 13:00

Eksamensoppgave i TFY4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystemer

Exam in Quantum Mechanics (phys201), 2010, Allowed: Calculator, standard formula book and up to 5 pages of own handwritten notes.

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

Slope-Intercept Formula

Eksamensoppgave i TFY4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystemer

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Onsdag 21. desember, :00 19:00

Physical origin of the Gouy phase shift by Simin Feng, Herbert G. Winful Opt. Lett. 26, (2001)

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

UNIVERSITETET I OSLO

Graphs similar to strongly regular graphs

Qi-Wu-Zhang model. 2D Chern insulator. León Martin. 19. November 2015

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Exam in FY3464 QUANTUM FIELD THEORY I Friday november 30th, :00 13:00

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

Moving Objects. We need to move our objects in 3D space.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 Kvantefysikk Tirsdag 13. desember 2005 kl

Gradient. Masahiro Yamamoto. last update on February 29, 2012 (1) (2) (3) (4) (5)

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2013

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Neural Network. Sensors Sorter

Trigonometric Substitution

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i FY3452 GRAVITASJON OG KOSMOLOGI Lørdag 19. mai :00 13:00

Quantum. collection) Number. of pages: Number. Checked. Date. Signature 1

Mathematics 114Q Integration Practice Problems SOLUTIONS. = 1 8 (x2 +5x) 8 + C. [u = x 2 +5x] = 1 11 (3 x)11 + C. [u =3 x] = 2 (7x + 9)3/2

PROBLEM 2 (40%) Consider electron-muon scattering e + µ e + µ. (a) Draw the lowest order Feynman diagram and compute M.

FYSMEK1110 Eksamensverksted 23. Mai :15-18:00 Oppgave 1 (maks. 45 minutt)

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Løysingsframlegg TFY 4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2011

Ringvorlesung Biophysik 2016

Eksamen TFY4210: Anvendt kvantemekanikk Onsdag 23. mai 2007 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Tirsdag 9. aug 2011

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

EKSAMENSOPPGAVE I SØK 1002 INNFØRING I MIKROØKONOMISK ANALYSE

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Løysingsframlegg/skisse Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem 24. mai 2011

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamen i FY8306 KVANTEFELTTEORI Fredag 9. juni :00 13:00

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Oppgave 1a Definer følgende begreper: Nøkkel, supernøkkel og funksjonell avhengighet.

EKSAMENSOPPGAVE I FAG TKP 4105

Hvor mye praktisk kunnskap har du tilegnet deg på dette emnet? (1 = ingen, 5 = mye)

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

Oppgave 1. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet NTNU Institutt for fysikk EKSAMEN I: MNFFY 245 INNFØRING I KVANTEMEKANIKK

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Oppgave 1. ( xφ) φ x t, hvis t er substituerbar for x i φ.

UNIVERSITETET I OSLO

FINAL EXAM IN STA-2001

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Call function of two parameters

Eksamensoppgave i FY8104 / FY3105 Symmetrigrupper i fysikken

UNIVERSITETET I OSLO

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

0:7 0:2 0:1 0:3 0:5 0:2 0:1 0:4 0:5 P = 0:56 0:28 0:16 0:38 0:39 0:23

Solution for INF3480 exam spring 2012

Ma Flerdimensjonal Analyse Øving 1

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 5 INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

SVM and Complementary Slackness

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

UNIVERSITY OF OSLO. Make sure that your copy of this examination paperis complete before answering.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Han Ola of Han Per: A Norwegian-American Comic Strip/En Norsk-amerikansk tegneserie (Skrifter. Serie B, LXIX)

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Geografisk institutt

HØGSKOLEN I NARVIK - SIVILINGENIØRUTDANNINGEN

Eksamen TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

5 E Lesson: Solving Monohybrid Punnett Squares with Coding

Exercise 1: Phase Splitter DC Operation

Eksamensoppgave i SANT2100 Etnografisk metode

FYS2140 Kvantefysikk. Løsningsforslag for Oblig 7

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

KROPPEN LEDER STRØM. Sett en finger på hvert av kontaktpunktene på modellen. Da får du et lydsignal.

Speed Racer Theme. Theme Music: Cartoon: Charles Schultz / Jef Mallett Peanuts / Frazz. September 9, 2011 Physics 131 Prof. E. F.

Stationary Phase Monte Carlo Methods

Verifiable Secret-Sharing Schemes

Examination paper for (BI 2015) (Molekylærbiologi, laboratoriekurs)

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Bokmål / Nynorsk / English NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK. Eksamen TFY4185 Måleteknikk

TMA4329 Intro til vitensk. beregn. V2017

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Transkript:

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for fysikk Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012 Faglærar: Førsteamanuensis John Ove Fjærestad Institutt for fysikk Telefon: 73593448/97940036 Mandag 4. juni 2012 kl. 09.00-13.00 Tilletne hjelpemiddel: Godkjend kalkulator Rottmann: Matematisk Formelsamling Rottmann: Matematische Formelsammlung Barnett & Cronin: Mathematical Formulae Eksamenen har 3 oppgåver, med deloppgåver (a, (b,... Alle deloppgåver har same vekt. Det er 6 sider totalt. Nokre nyttige formlar er oppgitt på siste side. 1

Oppgåve 1 (a Dirac-likninga er (med h = c = 1 i ψ t = Hψ der H = α p + βm. Beskriv kort kvifor Dirac søkte etter ei likning på denne forma. (b Det viser seg at ei likning på denne forma også kjem opp i låg-energibeskrivelsen av nokre 1-dimensjonale system i kondenserte mediers fysikk. I resten av denne oppgåva skal vi difor sjå på Dirac-likninga i 1 romdimensjon. Det er da berre éi α-matrise, α 1. Bruk same type argumentasjon som for det 3-dimensjonale tilfellet til å vise at i det 1-dimensjonale tilfellet får ein betingelsane α 2 1 = β 2 = 1, α 1 β + βα 1 = 0. (c Ein gyldig representasjon for β og α 1 som tilfredsstiller desse betingelsane er β = σ 1 og α 1 = σ 3. Ved å bruke denne Pauli-matrise-representasjonen, vis at eigenverdiane til H er gitt som der p er impuls-eigenverdien. E = ± p 2 + m 2 (d Uttrykt vha. γ-matriser (γ 0 β og γ 1 βα 1 blir Dirac-likninga (iγ µ µ mψ = 0 der µ går over verdiane 0 og 1. Utlei denne likninga fra Lagrange-tettleiken der ψ = ψ γ 0. L = ψ(iγ µ µ mψ (e Med våre valgde representasjonar for β og α 1 blir γ-matrisene γ 0 = σ 1 og γ 1 = iσ 2. Sjå no på matrisa γ 5 γ 0 γ 1, som vi bruker til å definere ein kiral transformasjon som ψ e iθγ5 ψ der θ er ein vinkelparameter. Vis at under denne transformasjonen så transformerer ψ som ψ ψ e iθγ5, 2

og vis vidare at to-komponent vektoren ( ψψ i ψγ 5 ψ transformerer som ein rotasjon, ( ψψ i ψγ 5 ψ ( cos φ sin φ sin φ cos φ ( ψψ i ψγ 5 ψ der rotasjonsvinkelen φ = φ(θ. Finn verdiane av θ som gjer denne tokomponent vektoren invariant. (Desse resultata har ei naturleg tolking i kondenserte-mediers-konteksten som vi nemnde i introduksjonen, men vi går ikkje inn på det her. Oppgåve 2 I denne oppgåva skal vi sjå på ϕ 4 kvantefeltteori. Deloppgåvene (a og (b er om (posisjonsroms Feynman-diagram for 2-punkt-funksjonen Ω T {ϕ(xϕ(y} Ω D F (x y int i ϕ 4 teori. Deloppgåve (c er om (impulsroms Feynman-diagram for Fourier-transformen D F (p int av 2-punkt-funksjonen. (a Ved å bruke Feynman-reglane for posisjons-roms Feynman-diagram, skriv ned uttrykka for dei to Feynman-diagramma (i-(ii under (du kan la symmetrifaktoren S vere uspesifisert. (b Etter nokre forenklingar kan perturbasjonsutviklinga for 2-punkt-funksjonen skrivast skjematisk som ein sum over Feynman-diagram, dvs. D F (x y int = i A i, der A i representerer eit Feynman-diagram i denne utviklinga. Blant dei 4 diagramma (i-(iv under, er minst eitt av dei ikkje av den gyldige typen A i. Identifiser diagrammet/diagramma som er ugyldige, og dersom eit diagram er ugyldig, skriv kort kvifor. 3

(c Sjå på følgjande approksimasjon for D F (p int : Ved å bruke Feynman-reglane for impulsroms Feynman-diagram, finn eit uttrykk for diagrammet med n løkker i denne rekkja. [Hint: Det kan vere lurt å starte med å finne uttrykk for diagramma med 0, 1, og 2 løkker, og så evt. sjå på diagram med fleire løkker inntil du ser eit mønster. Merk at symmetrifaktoren for diagrammet med n løkker er 2 n.] Bruk dette til å finne eit uttrykk for D F (p int i denne approksimasjonen. (Ikkje prøv å rekne ut ikkje-trivielle integral. 4

Oppgåve 3 Sjå på ein tight-binding modell av ikkje-vekselvirkande elektron i ein eindimensjonal krystall med N gitterpunkt og periodiske grensebetingelsar. Hamilton-operatoren er H = t (c j,σc j+1,σ + h.c. + t (c j,σc j+2,σ + h.c.. j,σ j,σ Her kreerer (annihilerer c j,σ (c j,σ eit elektron med spinn-projeksjon σ (= ±1/2 på gitterpunkt j. Det første (andre leddet i H beskriv hopping mellom nærmaste-nabo (nest-nærmaste-nabo gitterpunkt. Hoppeamplitudane for desse ledda er hhv. t og t. (a Vis at H kan skrivast på diagonal form som H = ε k c kσ c kσ k,σ der c k,σ (c k,σ kreerer (annihilerer eit elektron med bølgjevektor k og spinnprojeksjon σ, k-summen er over 1. Brillouinsone [ π, π, og ε k = 2t cos k + 2t cos 2k (bølgjevektorane er dimensjonslause fordi vi har sett gitteravstanden til 1. Fra no av, anta at t er positiv og at systemet er halv-fylt, dvs. antalet elektron N e er lik antalet gitterpunkt N. Vi skal sjå på grunntilstanden til Hamilton-operatoren for forskjellige ikkje-negative verdiar av t. For å vere presise definerer vi her ein Fermi bølgjevektor i eit ein-dimensjonalt system som ein bølgjevektor som skil ein region av okkuperte bølgjevektorar fra ein region av uokkuperte bølgjevektorar i grunntilstanden til systemet. (b Sjå først på tilfellet t = 0. Skissér ε k. Kva er verdiane av Fermi bølgjevektorane og dei okkuperte bølgjevektorane? (c Sjå deretter på tilfellet at t er positiv og definer forholdet r = t /t (> 0. Vis at det finst ein kritisk verdi r c slik at for r < r c har systemet to Fermi bølgjevektorar mens for r > r c har systemet fire Fermi bølgjevektorar. Utlei verdien av r c og finn Fermi-energien for r = r c. 5

Formlar σ 1 = ( 0 1 1 0, σ 2 = ( 0 i i 0, σ 3 = ( 1 0 0 1. σ i σ j + σ j σ i = 2δ i,j (i, j = 1, 2, 3 D F (p = i p 2 m 2 + iɛ 1 N e i(k k j = δ k,k j 6

NTNU The Faculty of Science and Technology Department of Physics Exam TFY 4210 Quantum theory of many-particle systems, spring 2012 Lecturer: Associate Professor John Ove Fjærestad Department of Physics Phone: 73593448/97940036 Monday, 4 June, 2012 09.00-13.00h Examination support: Approved calculator Rottmann: Matematisk Formelsamling Rottmann: Matematische Formelsammlung Barnett & Cronin: Mathematical Formulae The exam has 3 problems, with subproblems (a, (b,... All subproblems have the same weight. There are 6 pages in total. Some useful formulas are given on the last page. 1

Problem 1 (a The Dirac equation reads (with h = c = 1 i ψ t = Hψ where H = α p + βm. Briefly describe why Dirac sought an equation of this form. (b It turns out that an equation of this form also arises in the low-energy description of some 1-dimensional condensed matter systems. In the rest of this problem we therefore consider the Dirac equation in 1 spatial dimension. There is then only one α matrix, α 1. Use the same kind of reasoning as for the 3-dimensional case to show that in the 1-dimensional case one gets the conditions α 2 1 = β 2 = 1, α 1 β + βα 1 = 0. (c A valid representation for β and α 1 that satisfies these equations is β = σ 1 and α 1 = σ 3. Using this Pauli matrix representation, show that the eigenvalues of H are given by where p is the momentum eigenvalue. E = ± p 2 + m 2 (d In terms of γ matrices (γ 0 β and γ 1 βα 1 the Dirac equation reads (iγ µ µ mψ = 0. where µ runs over 0 and 1. Derive this equation from the Lagrangian density where ψ = ψ γ 0. L = ψ(iγ µ µ mψ (e With our chosen representations for β and α 1, the γ matrices become γ 0 = σ 1 and γ 1 = iσ 2. Consider the matrix γ 5 γ 0 γ 1, which is used to define a chiral transformation as ψ e iθγ5 ψ where θ is an angular parameter. Show that under this transformation, ψ transforms as ψ ψ e iθγ5, 2

and show furthermore that the two-component vector ( ψψ i ψγ 5 ψ transforms as a rotation, ( ψψ i ψγ 5 ψ ( cos φ sin φ sin φ cos φ ( ψψ i ψγ 5 ψ where the rotation angle φ = φ(θ. Find the values of θ that leave this twocomponent vector invariant. (These results have a natural interpretation in the condensed matter context that we mentioned in the introduction, but we don t go into that here. Problem 2 In this problem we consider ϕ 4 quantum field theory. Subproblems (a and (b are about (position-space Feynman diagrams for the 2-point function Ω T {ϕ(xϕ(y} Ω D F (x y int in ϕ 4 theory. Subproblem (c involves (momentum-space Feynman diagrams for the Fourier transform D F (p int of the 2-point function. (a Using the Feynman rules for position-space Feynman diagrams, write down the expression for the two Feynman diagrams (i-(ii below (you can leave the symmetry factor S unspecified. (b After some simplifications, the perturbation expansion for the 2-point function can be written schematically as a sum over Feynman diagrams, i.e. D F (x y int = i A i, where A i represents a Feynman diagram appearing in this expansion. Among the 4 diagrams (i-(iv below, at least one of them is not of the valid type A i. Identify the invalid diagram(s, and if a diagram is invalid, briefly state why. 3

(c Consider the following approximation for D F (p int : Using the momentum-space Feynman rules, find an expression for the diagram with n loops in this series. [Hint: It may be helpful to start by finding expressions for the diagrams with 0, 1, and 2 loops, and then if necessary look at diagrams with more loops until you see a pattern. Note that the symmetry factor for the diagram with n loops is 2 n.] Use this to find an expression for D F (p int in this approximation. (Don t try to evaluate nontrivial integrals. 4

Problem 3 Consider a tight-binding model of noninteracting electrons in a one-dimensional crystal with N sites and periodic boundary conditions. The Hamiltonian is H = t (c j,σc j+1,σ + h.c. + t (c j,σc j+2,σ + h.c.. j,σ j,σ Here c j,σ (c j,σ creates (annihilates an electron with spin projection σ (= ±1/2 on site j. The first (second term in H describes hopping between nearest-neighbour (next-nearest-neighbour sites. These terms have hopping amplitudes t and t, respectively. (a Show that H can be written on diagonal form as H = ε k c kσ c kσ k,σ where c k,σ (c k,σ creates (annihilates an electron with wavevector k and spin projection σ, the k sum is over the 1st Brillouin zone [ π, π and ε k = 2t cos k + 2t cos 2k (the wavevectors are dimensionless as we have set the lattice spacing to 1. From now on, assume that t is positive and that the system is half-filled, i.e. the number of electrons N e equals the number of sites N. We will consider the ground state of the Hamiltonian for different nonnegative values of t. To be precise we define here a Fermi wavevector of a one-dimensional system as a wavevector that separates a region of occupied wavevectors from a region of unoccupied wavevectors in the ground state of the system. (b First consider the case t = 0. Sketch ε k. What are the values of the Fermi wavevectors and the occupied wavevectors? (c Next consider t to be positive and define the ratio r = t /t (> 0. Show that there is a critical value r c such that for r < r c the system has two Fermi wavevectors while for r > r c the system has four Fermi wavevectors. Derive the value of r c and find the Fermi energy at r = r c. 5

Formulas σ 1 = ( 0 1 1 0, σ 2 = ( 0 i i 0, σ 3 = ( 1 0 0 1. σ i σ j + σ j σ i = 2δ i,j (i, j = 1, 2, 3 D F (p = i p 2 m 2 + iɛ 1 N e i(k k j = δ k,k j 6