Im{ f (0)}. For which situations is the Born-approximation for

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

Slope-Intercept Formula

Ringvorlesung Biophysik 2016

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

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

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

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

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

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Exercise 1: Phase Splitter DC Operation

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

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

EKSAMENSOPPGAVE I SØK 1002 INNFØRING I MIKROØKONOMISK ANALYSE

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Graphs similar to strongly regular graphs

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamen ENG1002/1003 Engelsk fellesfag Elevar og privatistar/elever og privatister. Nynorsk/Bokmål

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

HØGSKOLEN I NARVIK - SIVILINGENIØRUTDANNINGEN

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Neural Network. Sensors Sorter

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

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

UNIVERSITY OF OSLO. Faculty of Mathematics and Natural Sciences

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

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

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Trigonometric Substitution

Solutions #12 ( M. y 3 + cos(x) ) dx + ( sin(y) + z 2) dy + xdz = 3π 4. The surface M is parametrized by σ : [0, 1] [0, 2π] R 3 with.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Perpetuum (im)mobile

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

5 E Lesson: Solving Monohybrid Punnett Squares with Coding

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

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

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Generalization of age-structured models in theory and practice

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

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

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

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

EKSAMEN I FAG TTT4110 Informasjons- og signalteori. Norsk tekst på oddetalls-sider. (English text on even numbered pages.)

The exam consists of 2 problems. Both must be answered. English

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

Siste seminar: Foreslåtte oppgaver basert på ønsker.

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

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

Medisinsk statistikk, KLH3004 Dmf, NTNU Styrke- og utvalgsberegning

Fagevalueringsrapport FYS Diffraksjonsmetoder og elektronmikroskopi

EN Skriving for kommunikasjon og tenkning

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

melting ECMI Modelling week 2008 Modelling and simulation of ice/snow melting Sabrina Wandl - University of Linz Tuomo Mäki-Marttunen - Tampere UT

Oppgave. føden)? i tråd med

Dynamic Programming Longest Common Subsequence. Class 27

Databases 1. Extended Relational Algebra

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

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

EKSAMENSOPPGAVE I BI2034 Samfunnsøkologi EXAMINATION IN: BI Community ecology

EKSAMENSOPPGAVE I FAG TKP 4105

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Second Order ODE's (2P) Young Won Lim 7/1/14

Besvar tre 3 av følgende fire 4 oppgaver.

GYRO MED SYKKELHJUL. Forsøk å tippe og vri på hjulet. Hva kjenner du? Hvorfor oppfører hjulet seg slik, og hva er egentlig en gyro?

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

Examination paper for SØK2009 International Macroeconomics

Verifiable Secret-Sharing Schemes

Hvordan føre reiseregninger i Unit4 Business World Forfatter:

Kartleggingsskjema / Survey

Eksamensoppgave i GEOG Menneske og sted I

MID-TERM EXAM TDT4258 MICROCONTROLLER SYSTEM DESIGN. Wednesday 3 th Mars Time:

Den som gjør godt, er av Gud (Multilingual Edition)

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

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

SVM and Complementary Slackness

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO

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

Kneser hypergraphs. May 21th, CERMICS, Optimisation et Systèmes

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamensoppgave i GEOG1004 Geografi i praksis Tall, kart og bilder

EXAM TTM4128 SERVICE AND RESOURCE MANAGEMENT EKSAM I TTM4128 TJENESTE- OG RESSURSADMINISTRASJON

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

EKSAMENSOPPGAVE I SØK3004 VIDEREGÅENDE MATEMATISK ANALYSE ADVANCED MATHEMATICS

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

1 ENGLISH Information about the exam Read each problem carefully. The maximum number of points you can get on this exam is 100. The maximum number of points each problem can give (perfect score) is indicated in paranthesis. Good luc. Problem 1 (35 points) In this course, you have learned about different approximate methods used to obtain the energy levels of quantum mechanical systems. This includes Time-independent perturbation theory Sudden approximation Variational method WKB approximation Adiabatic approximation In each of the above cases: explain the ey idea behind each method, under which conditions the named method can be used, and when the method is expected to be the most useful. You should use equations as well as text to answer these questions. Problem 2 (6 points) Explain in the difference between the dynamical phase and the Berry phase of a wavefunction, preferably using both text and some equations. It is not expected that you have memorized the exact analytical expression for the Berry phase nor its derivation, but you should be able to explain how it is related to the wavefunction. Problem 3 (9 points) What is a Landau level and when does it occur? How does the Fermi level E F at temperature T = 0 in a two-dimensional electron gas with an applied out-of-plane magnetic field B behave as a function of B? Explain the physical origin and mae a setch of the E F vs. B behavior. What is the Shubniov-de Haas effect and what is its physical origin? Problem (6 points) Explain the difference between a wavefunction that is a mixed state and a wavefunction that is a superposition of states. Assume now that we have a system with total angular momentum 1 (in normalized units), described by the density matrix ρ = 1 2 1 1 1 1 0. (1) 1 0 1 We have here used a basis corresponding to the three eigenvectors of the z-component of the angular momentum, J z. Does this describe a pure or mixed state and why? Let J be the total angular momentum operator. Next, compute the average value of the z-component of J, represented by J z = diag(1,0, 1) (a diagonal 3 3 matrix with 1, 0, and -1 on the diagonal). Problem 5 (6 points) What is flux quantization? How would you demonstrate flux quantization using a superconducting material? What is the Aharonov-Bohm effect? You should use both words and equations to explain. Problem 6 (7 points) Give a qualitative argument for why the total scattering cross section σ depends on the forward-scattered part of the scattering amplitude f (θ), as seen from the optical theorem σ = π Im{ f (0)}. For which situations is the Born-approximation for

Phase-shift [degrees] 2 computing the differential scattering cross section dσ/dω expected to be good and when is it expected to fail? Problem 7 (16 points) Who developed the matrix mechanics formulation of quantum mechanics in 1925 (even before Schrödinger developed wavemechanics in position space)? Consider now a time-dependent Hamiltonian operator Ĥ(r,t) = Ĥ 0 (r) + ˆV (r,t) where Ĥ 0 is timeindependent. The orthogonal and normalized eigenfunctions of Ĥ 0 are denoted ψ n (r) with associated eigenvalues E n. Expand the normalized eigenfunction Ψ(r,t) of this time-dependent Hamiltonian as follows: and then derive an exact equation of motion for the coefficients a n (t) on the form Ψ(r,t) = a (t)ψ (r)e iet/ h, (2) da n (t) dt = F n (t)e ignt a (t) (3) without maing any approximations concerning ˆV. Identify an analytical expression for the quantities F n (t) and g n. Problem 8 (9 points) The time-reversal operator T is a so-called antiunitary operator, which means that it satisfies β α = α β () for two states α and β where we have defined α = T α and β = T β. Now, Kramer s degeneracy theorem states that if a Hamiltonian has time-reversal symmetry and ψ is an eigenfunction with eigenvalue E (so that H ψ = E ψ ), then T ψ is a distinct eigenfunction of H with the same eigenvalue E. In other words, in the presence of time-reversal symmetry each energy state of H is doubly degenerate. Time-reversal symmetry means that the Hamiltonian commutes with T, so that [H, T ] = 0. Consider now a spin-1/2 particle where it is nown that T 2 = 1. Your tas is to prove analytically Kramer s degeneracy theorem. More specifically, prove that (1) if ψ is an eigenfunction of H with eigenvalue E, then T ψ is an eigenfunction of H with eigenvalue E and (2) prove that ψ and T ψ are indeed different states with no overlap. To prove these two points, use the time-reversal symmetry property of the Hamiltonian and the antiunitarity property of T, both described above. Problem 9 (6 points) Consider the following graph of the phase-shifts δ 0 and δ 1 for elastic scattering between two particles P and R. Particle R is assumed to be much heavier than P, so that R may be taen to be at rest. Is the force between the particles mainly attractive or repulsive? Explain your answer (merely stating whether it is attractive or repulsive gives zero points). 70 60 50 0 / 1 30 20 10 / 0 0 0 50 100 150 Kinetic energy of particle P [arbitrary unit]

3 BOKMÅL Informasjon om esamen Les hvert problem nøye. Det masimale antallet poenget du an oppnå er 100. Den masimale poengsummen som an oppnås på hver enelt problem står oppgitt i parenteser. Lye til. Problem 1 (35 poeng) I dette urset har du lært om ulie approsimasjonsmetoder som brues til å beregne energi nivåene i vantemeanise systemer. Dette inluderer: Tidsuavhengig perturbasjonsteori Brå approsimasjon Variasjonsmetoden WKB approsimasjonen Adiabatis approsimasjon I hvert av de ovennevnte tilfellene: forlar hovedidéen ba metoden, under hvile forhold den an brues og når du forventer at metoden er mest nyttig. Du bør brue både lininger og test i din besvarelse. Problem 2 (6 poeng) Forlar forsjellen mellom dynamis fase og Berry fase til en bølgefunsjon, helst med å brue både test og lininger. Det er ie forventet at du huser det esate analytise uttryet til Berry fasen eller utledningen av denne, men du bør altså unne forlare hvordan den er relatert til bølgefunsjonen. Problem 3 (9 poeng) Hva er et Landau nivå og når opptrer det? Hvordan vil Fermi energien E F ved temperatur T = 0 i en 2D eletron gass oppføre seg som funsjon av et påtryt magnetis felt B som peer ortogonalt på 2D planet? Forlar det fysise opphavet og lag en figur som viser E F mot B. Hva er Shubniov-de Haas effeten og hva er dens fysise opprinnelse? Problem (6 poeng) Forlar forsjellen mellom en bølgefunsjon som er i en blandet tilstand (mixed state) og en superposisjon av tilstander. Anta at vi har et system med total dreieimpuls 1 (i normaliserte enheter), besrevet av en tetthetsmatrise ρ = 1 2 1 1 1 1 0. (5) 1 0 1 Vi har her brut en basis som tilsvarer de tre egenvetorene til z-omponenten av dreieimpulsen, J z. Besriver dette en blandet tilstand eller en ren tilstand (pure state) og hvorfor? La J være operatoren for total dreieimpuls. Beregn forventningsverdien for z-omponenten av J, representert via J z = diag(1,0, 1) (en diagonal 3 3 matrise med 1, 0 og -1 langs diagonalen). Problem 5 (6 poeng) Hva er flus vantisering? Hvordan ville du demonstrert flus vantisering ved å brue et superledende materiale? Hva er Aharonov-Bohm effeten? Du bør brue både ord og lininger til å forlare. Problem 6 (7 poeng) Gi et valitativt argument for hvorfor det totale spredningstverrsnittet σ er avhengig av den forover-spredte delen av sprednings amplituden f (θ), i følge det optise teorem σ = π Im{ f (0)}. I hvile situasjoner er Born-approsimasjonen et godt valg for å beregne det differensielle spredningstverrsnittet dσ/dω og når forventer du at Born-approsimasjonen er dårlig for dette formålet?

Phase-shift [degrees] Problem 7 (16 poeng) Hvem utvilet matrisemeani formuleringen av vantemeani i 1925 (til og med før Schrödinger utvilet bølgemeani formuleringen i posisjonsrommet)? Betrat nå en tidsavhengig Hamilton-operator Ĥ(r,t) = Ĥ 0 (r) + ˆV (r,t) hvor Ĥ 0 er tidsuavhengig. De ortogonale og normaliserte egenfunsjonene til Ĥ 0 sriver vi som ψ n (r) med assosierte egenverdier E n. Espander de normaliserte egenfunsjonene Ψ(r,t) til den tidsavhengige Hamilton-operatoren som følger: og utled deretter en esat bevegelseslining for oeffisientene a n (t) på formen: Ψ(r,t) = a (t)ψ (r)e iet/ h, (6) da n (t) dt = F n (t)e ignt a (t) (7) uten å gjøre noen approsimasjoner med hensyn til ˆV. Identifiser et analytis uttry for størrelsene F n (t) og g n. Problem 8 (9 poeng) Tidsinversjons operatoren T er en såalt anti-unitær operator, hvilet betyr at den tilfredsstiller β α = α β (8) for to tilstander α og β hvor vi har definert α = T α og β = T β. Nå er det sli at Kramer s degenerasjons teorem sier at dersom en Hamilton-operator har tidsinversjons symmetri og ψ er en egenfunsjon med egenverdi E (sli at H ψ = E ψ ), så er T ψ en distint egenfunsjon til H med samme egenverdi E. Med andre ord, når tidsinversjons symmetri er tilstede så er hver energitilstand til H dobbelt degenerert. Tidsinversjons symmetri betyr at Hamilton operatoren ommuterer med T, sli at [H,T ] = 0. Betrat nå en spin-1/2 partiel hvor det er jent at T 2 = 1. Din oppgave er å bevise Kramer s degenerasjons teorem analytis. Mer spesifit: bevis at (1) dersom ψ er en egentilstand til H med egenverdi E, så er T ψ en egentilstand til H med egenverdi E og (2) bevis at ψ og T ψ virelig er to forsjellige tilstander med null overlapp. For å bevise disse to puntene, så an du brue tidsinversjons symmetri egensapen til Hamilton-operatoren og den anti-unitære egensapen til T (begge er besrevet ovenfor). Problem 9 (6 poeng) Betrat følgende figur som viser fasesiftene δ 0 og δ 1 for elastis spredning mellom to partiler P og R. Partiel R er antatt å være mye tyngre enn P, sli at vi an betrate P som stillestående. Er raften mellom partilene hovedsalig attrativ eller repulsiv? Forlar ditt svar (å un svare at den er attrativ eller repulsiv gir null poeng). 70 60 50 0 / 1 30 20 10 / 0 0 0 50 100 150 Kinetic energy of particle P [arbitrary unit]

5 NYNORSK Informasjon om esamen Les vart problem nøye. Den masimale mengda poeng du an oppnå er 100. Den masimale poengsummen som an oppnåast på vart enelt problem står oppgitt i parentesar. Lye til. Problem 1 (35 poeng) I dette urset har du lært om ulie approsimasjonsmetodar som vert brut til å berena energi nivåa i vantemeanise system. Dette inluderer: Tidsuavhengig perturbasjonsteori Brå approsimasjon Variasjonsmetoden WKB approsimasjonen Adiabatis approsimasjon I vart av dei ovannemnde tilfella: forlar hovedidéen ba metoden, under va for tilhøve som han an bruast, og når du forventar at metoden er mest nyttig. Du bør brua både liningar og test i ditt svar. Problem 2 (6 poeng) Forlar silnaden mellom dynamis fase og Berry fase til ein bølgjefunsjon, helst med å brua både test og liningar. Det er ije forventa at du hugsar det esate analytise uttryet til Berry fasen eller utreningen av denne, men du bør altså unna forlara orleis han er relatert til bølgjefunsjonen. Problem 3 (9 poeng) Kva er eit Landau nivå og når opptrer det? Korleis vil Fermi energien E F ved temperatur T = 0 i ein 2D eletron gass oppføra seg som funsjon av eit ytre magnetis felt B som peiar ortogonalt på 2D planet? Forlar det fysise opphavet og lag ein figur som viser E F mot B. Kva er Shubniov-de Haas effeten og va er det fysise opphavet dens? Problem (6 poeng) Forlar silnaden mellom ein bølgjefunsjon som er i ein blanda tilstand (mixed state) og ein suparposisjon av tilstandar. Anta at vi har eit system med total dreieimpuls 1 (normalisert), sildra av ein tetthetsmatrise ρ = 1 2 1 1 1 1 0. (9) 1 0 1 Vi har her brut ein basis som tilsvarer dei tre eigenvetorene til z-omponenten av dreieimpulsen, J z. Sildrar dette ein blanda tilstand eller ein rein tilstand (pure state) og vifor? La J vera operatoren for total dreieimpuls. Beren forventingverdien for z-omponenten av J, representert via J z = diag(1,0, 1) (ein diagonal 3 3 matrise med 1, 0 og -1 langs diagonalen). Problem 5 (6 poeng) Kva er flus vantisering? Korleis ville du demonstrert flus vantisering ved å brua eit superledende material? Kva er Aharonov-Bohm effeten? Du bør brua både ord og liningar til å forlara. Problem 6 (7 poeng) Gje eit valitativt argument for vifor det totale spreiingstverrsnittet σ er avhengig av han framover-spreidde delen av amplituden f (θ) til spreiinga, i følgje det optise teorem σ = π Im{ f (0)}. I va for situasjonar er Born-approsimasjonen eit godt val for å berena det differensielle spreiingstverrsnittet dσ/dω, og når forventar du at Born-approsimasjonen er dårleg for dette føremålet?

Phase-shift [degrees] 6 Problem 7 (16 poeng) Kven utvila matrisemeani formuleringen av vantemeani i 1925 (til og med før Schrödinger utvila bølgjemeani formuleringen i posisjonsrommet)? Vurder no ein tidsavhengig Hamilton-operator Ĥ(r,t) = Ĥ 0 (r) + ˆV (r,t) der Ĥ 0 er tidsuavhengig. Dei ortogonale og normaliserte eigenfunsjonene til Ĥ 0 sriv vi som ψ n (r) med assosierte eigenverdier E n. Espander dei normaliserte eigenfunsjonene Ψ(r,t) til den tidsavhengige Hamilton-operatoren som følgjer: og ren deretter ut ei esat rørslelining for oeffisientane a n (t) på forma: Ψ(r,t) = a (t)ψ (r)e iet/ h, (10) da n (t) dt = F n (t)e ignt a (t) (11) utan å gjera nore approsimasjonar med omsyn til ˆV. Identifiser eit analytis uttry for storleiane F n (t) og g n. Problem 8 (9 poeng) Tidsinversjons operatoren T er ein såalt anti-unitær operator, som tyder at han tilfredsstiller β α = α β (12) for to tilstandar α og β der vi har definert α = T α og β = T β. No er det sli at Kramer s teoremet til degenerasjon seier at dersom ein Hamilton-operator har tidsinversjons symmetri og ψ er ein eigenfunsjon med eigenverdi E (sli at H ψ = E ψ ), så er T ψ ein distint eigenfunsjon til H med same eigenverdi E. Med andre ord, når tidsinversjons symmetri er tilstades så er var energitilstand E til H dobbelt degenerert. Tidsinversjons symmetri tyder at Hamilton operatoren ommuterer med T, sli at [H,T ] = 0. Vurder no ein spin-1/2 partiel der det er jent at T 2 = 1. Oppgåva di er å bevisa Kramer s teoremet til degenerasjon analytis. Meir spesifit: bevis at (1) dersom ψ er ein eigentilstand til H med eigenverdi E, så er T ψ ein eigentilstand til H med eigenverdi E og (2) bevis at ψ og T ψ vereleg er to ulie tilstandar med null overlapp. For å bevisa desse to punta, så an du brua tidsinversjons symmetri eigensapen til Hamilton-operatoren og den anti-unitære eigensapen til T (begge er sildra ovanfor). Problem 9 (6 poeng) Vurder følgjande figur som viser fasesifta δ 0 og δ 1 for elastis spreiing mellom to partilar P og R. Partiel R er anteen å vera myje tyngre enn P, sli at vi an vurdera P som i ro. Er rafta mellom partilane hovedsalig attrativ eller repulsiv? Forlar svaret ditt (å berre svara at han er attrativ eller repulsiv gjev null poeng). 70 60 50 0 / 1 30 20 10 / 0 0 0 50 100 150 Kinetic energy of particle P [arbitrary unit]