Eschrig - Theory Of Superconductivity, A Primer
.pdfThe lines (of kness ) indeed form nearly individually (Fig. 24). Sin e B 2 |
= B 12 2 |
= ln ; the |
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latti e onstanthia |
at B |
2 |
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is |
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r |
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s |
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s |
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||||
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2 |
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a2 |
= a1 |
ln |
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4 |
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= |
4 |
& : |
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(89) |
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2 2 = |
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p |
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p |
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3 |
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3 |
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The ores of the ux lines (of thi kn ss ) tou h ea h other while the eld is already quite homoge- |
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neous (Fig. 25). Sin e j |
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j 1 in the |
ore, the Ginsburg-Landau equations apply, and j |
j may rise |
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ontinuously from zero: |
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the phase transition |
at B 2 |
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is se ond order. |
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B |
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solution |
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B |
j j |
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a & |
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B |
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. |
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a2j&j |
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of (4.3) |
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FIG. 24: Mixed1phase for B |
ext |
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FIG. 25: Mixed phase for B |
ext |
B |
. |
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1 |
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2 |
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F r long ylindri rod the stray eld reated by super urrents outside of the rod may be negle ted, |
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and one |
y express the eld inside the rod as |
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M |
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B = B |
ext |
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0 |
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by magnetization density M: The hange in Free Energy at xed T and V by tuning up the external |
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magneti |
eld is |
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dF = MdB |
ext |
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2 |
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Fn Fs = |
Z |
B 2 |
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: |
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0M |
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0 B |
dBextM = B |
B 2 |
Bext |
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B 1 |
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2 0 |
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00000001111111 00000001111111 |
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00000001111111 |
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00000001111111 |
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00000001111111 |
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jump or |
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00000001111111 |
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00000001111111 |
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000000011111110011 |
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0011 |
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in nite slope |
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01 |
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Figure 26: Magnetization urve of a type II super ondu tor. |
is only a theoreti al |
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The d erently dashed areas in Fig. 26 are equal. For type II super ondu tors, B |
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quantity. |
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31 |
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6 |
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EFFECTS |
1 |
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mi rosJOSEPHSONopi des ripti.owever, qualitativ ly ey are the sam(the at all temperatures T < T , hen e |
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The quantita iv |
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n of Josep |
son |
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at T T |
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|
usual ase in appli ations) needs a |
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Considertreatmenvery thin weak linkwithinbet eene woe tshalfs |
ofLandausuper ondu tor (Fig. 27). |
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qualitatively they may be treated |
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th |
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Ginsburg- |
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theory. |
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S1 |
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2 |
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S2 |
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x1 |
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d |
x |
2 |
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2 |
= 1 |
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1 |
1 |
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1 |
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2 |
+ x |
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(x2) |
2 = j |
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2 |
= |
1 |
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FIG. 27: A weak link between |
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w |
halfs of a super |
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|
du tor. |
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link is small, and may be |
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ally small |
x = 0: Hen e,therman superodynamiurren |
|
through the w |
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The order p |
has its |
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value |
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n |
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sides x < x ; x > x ; but is expo- |
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neno |
dered onstan |
in both bulks of |
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. In the w |
|
lineak, not only j j is small, also its |
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Without the righrameterhalf, the boundary ondition (58) would hold at x : |
1 |
2 |
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phase may hange rapidly (e.g. from super= ondu tor= |
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1 |
+ bothyeakvery small perturbation). |
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2 |
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1 |
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2ie |
2 |
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1 |
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|||||
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x + |
Ax |
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= 0: |
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~ |
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x1 |
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In the presen e of the right half, this ondition must be modi ed to slightly depending on the value |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
: |
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x + |
2ie |
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= |
2; |
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(90) |
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~ Ax |
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1B. D. Josephson, Phys. Lett. 1, 251 (1962) |
. |
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32 |
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x1 |
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jei1 2
|
is |
small |
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umber depending on |
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properties of |
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|
eak link. Time |
version |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
that (90) remains valid for |
|
|
! |
|
|
; A ! A; |
henthe |
must be real as long as the phase of |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
wheremandsdo not depend on A. For the moment thew hoose a gauge in whi h A |
x |
= 0: Thein, the supersymmetryurren |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
density at x1 |
is |
|
|
js;x(x1) |
|
ie~ |
" |
|
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x1 |
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1 |
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# |
= |
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||||||||||||||||
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|
h |
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1 x |
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1 |
i x |
|
x1 |
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|||||||||||||||||||||
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= |
2 |
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1 |
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2 |
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|
2 |
|
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= |
|
= |
jm sin 2 1 |
: |
|
|
(91) |
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jm |
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( 2 |
1) |
ei( 1 |
2) |
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2 |
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We generalize the argument of the sine fun tion by a general gauge transformation (22): |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2e |
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A |
|
= 0 ! A |
|
= |
|
|
; |
|
|
|
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|
|
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||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
A |
! |
|
A + |
~ ; |
|
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|
|
x |
x |
|
|
2 |
|
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|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
tr |
|
2e |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
2e Z |
dxAx; |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
1 ! |
= |
2 |
|
|
|
1 |
|
|
~ |
|
: |
1 |
|
|
|
= 2 1 |
+ |
|
~ |
1 |
|
|
(92)3 |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
2e |
|
2 |
1 |
|
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|||||||||||||||
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dt |
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~ |
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||||||
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|
tential |
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by a voltmeter. |
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|||||||||||||||||||
Re all that is the ele tro |
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p |
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Now, the general Josephsonhemiquational |
|
readsmeasured |
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j |
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= j |
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sin : |
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(94) |
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6.1 |
The d. . |
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quantum |
interferen e |
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and a ordi |
g to (93)Josephsonoten |
di eren e |
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is zero |
|
|
that ase. |
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||
A ording |
(94), a d. . su er urrene eof anyt, |
value between j |
|
and j |
m |
may ow through the jun tion, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Now, on ider a jun ion in the y z-plane with a magneti eld applied in z-dire tion. There are |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
super urrentos s reeningthehe eldtialway from the bulks of the super ondu ting halfs. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2 |
|
|
|
y |
1 |
|
B |
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|
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|||||
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|
b |
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S1 |
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|
(y) |
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S2 |
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|||||||||||||||
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|||||||||||||||||
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4 |
|
0 |
|
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3 |
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|||||||||
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|||||||
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1 |
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2 |
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|
x |
|
|
|||||
|
|
|
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d |
2 |
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||||||||
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|
Figure 28: A Josephson |
jun tion in an external magneti eld B. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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33 |
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|||||||||||||
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|
|
Let us onsider (y); and let (0) = 0 |
|
at the edge |
|
|
|
= 0: We have |
+ Z |
1 dyAy: |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Byd = Z |
1234 |
ds A = Z |
|
2 dxAx |
+ Z |
3 dyAy |
+ Z |
4 dxAx |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
In the jun tion we hoose the gauge A |
x |
= By; A |
y |
= 0: Then, the y-integrals vanish, and from (92), |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(0) = 2 |
1 |
= 0 |
|
|
|
|
(y) = |
|
|
|
|
|
2 |
Z |
3 |
dxBy = 0 |
+ |
2 Bd |
y: |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
; |
|
|
|
|
|
|
0 |
+ |
|
0 |
|
4 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
The d. . Josephson urrent density through the |
|
|
|
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|
os illates with y a ording to |
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|
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|
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|
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|
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|
|
2 Bd |
|
|
! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
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|
j |
(y) = j |
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|
y |
|
: |
|
|
|
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|||||||||||||||||
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sinjun tion+ |
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|||||||||||||||||||||||||||
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|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= j |
|
|
; hen e |
|
= =2; and |
||||||
In experiment, at B = 0 one always starts from a biased situation with j |
s |
m |
0 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j (y) = jm os |
2 Bd |
y: |
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
(95) |
|||||||||||||||||||||||||||
|
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|
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|
|
||||||||||||||||||||||
The total urrent through the jun tion is |
|
|
|
|
|
Z |
b |
|
dy os |
20 Bd |
y; |
|
|
|
|
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|
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|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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|
|
Is |
= jm |
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
where is the thi kness in z-dire tion. F = |
|
|
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|
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||||||||||||||||||||
|
|
is the area of the jun tion. With |
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Z |
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i b |
1 |
|
|
sin( b) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
dy os( y) = < |
|
b |
dyei y = < |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
urrent at a given eld B is |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
we nd that, depending on the phase |
; the |
|
|
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0)j |
: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(96) |
|||||||
|
|
|
|
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|
Is;max |
|
= Fjmaximal |
|
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|
H |
||||||||||||||||||||||
An ven simpler situati |
|
n |
|
|
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sin(2Bbd=0 |
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|
ds A = |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
if one splits the jun tion into a double jun tion: Now, |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
is the magneti ux through the ut-out, and |
I |
|
|
|
|
|
|
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|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
= |
|
2 |
|
|
ds A = 2 |
|
|
: |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
appears, |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
S1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||
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|
|
|
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|
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|
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|
|
a |
B |
|
|
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|
|
s |
S2 |
|
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||||||||
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|
|||
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|
|
Figure 29: A simple SQUID geometry. |
|
|
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|
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34 |
|
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|
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|
|
|
|
|
|
Hen e, the |
|
|
" |
d. . Josephson urrent is |
|
|||||||||||||||||
|
jm |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
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|
|
a + |
2 # |
: |
|||||||
|
|
|
2 = |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Is;max = F jmaximalsin a + sin |
|
0 |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
|||||||||
|
2 |
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
s; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||
I |
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|
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|
|
|
|
|
Is;m x |
|
|
|
|
: |
|
(97) |
||||||||||
|
Figure 30: Phase relations in Eq.(97). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 2F j os |
0 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
This is the |
|
to |
experimentally oun |
ux |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6.2 |
The a. . Josephson e e t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
a w thbasisdevi e alled |
super ondu ting |
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|
|
|
|
quantum interferometer (SQUID). |
= (2e=~)V t: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
We return to (93) and (94), and apply a voltage 2 |
1 |
= V to the jun tion, that is, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
An a. . Josephson urrent |
|
|
|
j |
(t) = j |
m |
sin ! |
J |
t; |
|
|
|
! |
J |
= 2eV=~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(98) |
||||||||||||||||||||||
resul s, |
a onstant v |
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f 10 V a frequen y !J =2 = 4.8 GHz |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
is applied. For a v |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
is obtained: the a. . Josephson |
e t is in the |
mi row |
|
vltageregion. |
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|
|||||||||||||||||||||||||||||
If onealthoughverlays a radio frequoltagen y voltage over the onstant voltage, |
|
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|
|
(99) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
2 |
|
2 |
|
= V + V |
r |
os(! t); |
t: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
one obtains a frequen y modulation of the a. . Josephson |
|
|
|
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|
j |
s |
|
|
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|
sin |
|
! |
J |
t + |
2eVr |
|
sin(! t) |
|
|
= |
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|||||||||||||||
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|
~!r |
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||||||||||||||||||
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1 |
|
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|
! |
urren |
|
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|||||||||||||||
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2eV |
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|
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||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
jm |
|
X |
|
|
Jjnj |
|
|
|
|
|
sin(!J + n!r)t: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(100) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 1 |
|
|
~!rr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Jj j |
is the Bessel fun tion of integer |
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
to a ount that |
|
non-zero voltage a ross the jun tion |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
interpret the |
|
|
|
ts one m |
|
|
|
|
take |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
auses also a |
|
experimennormal urrenustI |
|
= |
V=R; where R is |
|
|
|
|
|
of the jun tion for normal |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ele trons. |
|
|
|
|
|
|
|
index |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
in of the radio frequen y. |
1 |
If the impedan e of |
||||||||||||||||||||||||||||
The experimental issue de |
ends on the |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
radio sour e small ompared to that of the jun tion, wthehav |
voltage-sour e situation, and |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the total urrendissipativthrough the jun tion averagedouplingver radio |
|
|
|
resistan e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(101) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I = I |
s |
+ V=R; |
|
|
|
I |
s |
|
= j F: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
1S. Shapiro, Phys. Rev. Lett. 11, 80 (1963). |
|
|
|
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|
35 |
|
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|
|
|
|
|
|
frequen ies |
|
|
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|
d. . Josephson spike, Im |
|
I |
~!r=2e |
|
|
|
|
|
V V=R |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Shapiro spikes for |
|||||
|
Figure 31: |
|
urrent vs. voltage in |
|
! |
J |
+ n! |
r |
= 0 |
|
|||||
|
|
voltage-sour e situation. |
|
||||||||||||
as is usually the ase, |
wtheJosephsoav a nurrent-sour e |
ation, where the fed-in total urrent determines |
|||||||||||||
If the impedan e of |
|
r dio |
|
is large omp red tothe |
impedan e of the Josephson jun t on, |
||||||||||
|
|
|
|
2e dt |
|
|
situ |
m |
|
|
|
|
|
|
|
the voltage a ross the jun tion: |
~ |
|
= R(I I ) = R(I I sin ): |
|
|
|
|
(102) |
|||||||
I |
|
|
V = |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Shapiro steps |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Im |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V =R |
|
Figure 32: Josephson urren |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
vs. voltage in the urrent-sour e situation. V |
|
|||||||||||||
The a. . Josephson e e t yields a possibility of pre ise measurements of h=e. |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
36 |
|
|
|
|
|
|
|
7 MICROSCOPIC THEORY: THE FOCK SPACE |
|
; |
|
d of the |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The S hr•odinger w v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
of an ( sola ed) |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
is |
|
|
|
|
|
|
|
|
of its po |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
spin variable, |
|
|
: = ( ; |
): Si |
|
|
|
there are only |
wo funindepetionden |
spin states for an ele tron |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| the spin |
|
|
|
|
|
|
efunwithtionrespe t to any |
|
|
|
|
|
|
ele trhosen axis may be ei her up (") or down (# |, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
distakreteon onlyomponentwvalues, + and , hen e may be thought as onsisting |
of twition,fun tions |
|
|
(103) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
(r; |
(single)= |
|
|
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||||||||||||||
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|
(r; +) |
|
|
|
|
|
|
|
lo al) one-parti le operator |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
a spinor fun tion of r: The expe tation value of any |
|
|
0 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
formingA( ; s; r ; s ) = Æ(r r )A(r; s; s ) isX Z |
|
d |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(104) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
^ |
|
|
|
A |
0 |
|
= |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
(r; s)A(r; s; s |
) (usuallyr; ): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
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|
|
^ |
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|||||||
We will often use a short-hand notation x r( ; s). |
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
The S hr• |
|
|
wavefun tion |
|
s;s |
|
|
: : : x |
|
) of |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:): |
many-parti le quantum state must be |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
(x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(: : : x : : : x |
|
|
|
: : :) = (fermioni: : : x |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(105) |
||||||||||||||||||||||||||||
totally antisymmetodingeri with respe t to parti le ex hange |
(Pauli |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
pie e of |
|
solid, N |
10 |
23 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
k |
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
prin iple): |
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
, this fun tion is |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
in omprehensible a |
|
|
|
-fun tions. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
oordinatesumerisystematial |
manner |
|
|
fun tionaloordinatebas s in the fun tional spa e of those horrible |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
by |
|
|
not |
|
|
ll of those 2 |
brough |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
independen |
|
|
| with the symme ry propertpra ti (105)ally |
the +- and |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
-v lues |
an always |
|
|
|
|
|
|
to an order thattotally-values pre ede |
|
|
+-valu s, |
|
en e winahavessible:only |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
F a |
|
y set of N valu s, + or for ea |
s ; it is |
|
|
|
fun tion of 3N position |
|
|
oordinates. Although |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
disti |
guish 0, 1, 2, . . . , N -v |
|
|
|
|
|
that |
is (N + 1) ases | and |
|
|
h ugh ea h of |
those |
(N + 1) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
funhe symmetrytions |
property (105) |
ea h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
need on y be |
givmensionfor |
|
rtaionorder of the par |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
for all s |
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= + parti les |, it is lear that even if wspaweuld be onwithten |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= fundtionsforalues,all |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
need |
ly be |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ertain |
se tor of |
|
|
|
|
|
3N-d |
|
|
|
|
1023 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
again |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
givea |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
all posit |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
with 10 grid |
points al |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
axis w |
|
would need 10 |
|
|
|
grid |
|
|
ts f r |
a |
very |
r |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
7.1 |
|
|
|
|
representation of that |
|
|
|
-fun tion. Nevertheless, for formal manipulatiopoins, we |
|
introdui le |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Slater determinan |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hosen) omplete |
|
|
|
|
|
|
|
|
set of one-parti le spinor |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cons der some (for the moments |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
fun tions |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
(x); |
|
|
|
|
|
|
arbitrarily |
|
|
XZ |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
orthonormalll |
0 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
d r |
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( j |
|
|
0 |
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
(r; s) 0 ( ; s) = Æ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
already1 2 )orbitalsN |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Æ( |
i |
|
|
0): |
|
|
|
|
|
|
|
|
(106) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
X (x) (x0) = Æ(x x0) = Æss0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
T ey are ommonly all d (spinor- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
lThe quantum |
|
|
umber |
|
ref rs |
to both the spat al and |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
for a plane wave), and we agree upon |
|
|
|
erta |
|
|
on |
|
|
|
andinstanf eve |
given |
|
|
near order of thoseorbital- |
di es. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Choose |
N of those orbitals, |
|
|
; ; : : : ; |
|
|
|
;indexas ending order of the l |
|
and form the determinant |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the spin state and is usu |
|
lly |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
multi- |
|
|
|
|
|
(for |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(nlm ) for an atomi |
|
|
|
or (k ) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
L = (l |
|
: : : l |
|
|
|
|
is a new (hyper-)multi- |
|
|
|
|
|
|
|
whi h labels an orbital on guration. This determinan of |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L(x1 |
: : : xN ) = |
|
1 |
|
|
det k |
|
(xk)k: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(107) |
||||||||||||||||||||||||||
a mat ix a |
|
|
= (x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
) for every pointindex(: : : x ) in the |
|
|
|
|
-position spa e has the proper |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
N! |
|
|
|
|
|
are di erent, and it would be identisymmetryall |
||||||||||||||||||||||||
property (105). In view of (106) it is normalized, if all l |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
37 |
|
|
|
|
spin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
ik |
|
|
li |
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zero, if at least tw |
|
f the |
|
|
|
ould be equal |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t with |
|
|
|
|
|
|
equal raws): Two fermions annot |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Now, given a o |
|
plete set of |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(106),(determinanw mention |
|
without |
|
|
proof that all possible orbital |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
on g |
|
ra sameof N orbitals(107) orbitalsform omplete set of N-fermionspew |
vefunial |
tions (105), that is, any |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
be in the |
|
|
|
|
spin |
|
- |
|
|
|
|
|
. This is the ompared to (105) very |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
L asstatesw of N indi esframe:l w |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
may denotespa basise |
|
state by spe ifying the o upation numbersdenoted(being either 0 or 1) subseof all orbtiontals |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the Fo k |
|
|
|
. The |
|
|
|
|
|
|
up |
o now Hilbert spa e of all N-parti le |
|
|
es having the appro- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
priate: |
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X |
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|
index |
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N |
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||||||||||||||||||||
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L |
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|
|
N |
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1 |
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spe ifying |
|
|
n |
i |
= N: |
|
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(113) |
||||||||||||||||
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|
jn |
|
|
: : : |
|
|
: : : ; |
|
|
i |
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|||||||||||||||
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|||||||||||||||||
Our previous determinantal state (107) is now represented as |
|
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0 : : :i: |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
li |
|
|
ear spa e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
L |
|
= j0 : : : 01 |
l |
0 : : : 01 |
l2 |
0 : : : 01 |
lN |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
|
by the basis v |
|
|
|
|
(113), . . the st |
|
es of HN are either linear ombinations |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tw |
|
|
|
states (113) not oin iding |
in |
all |
|
|
|
|
|
|
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|
num ers |
|
|
|
are |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. H |
|
is the omple |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
u |
|
|
ity) |
|
|
|
limits of Cau |
y |
msequen |
|
|
e oftorssu thelinear |
ombinations. (AorthogonalCau y sequen e is a |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
fj |
|
|
|
|
ig with limm;n!1h |
ej |
umo upation= 0. |
|
|
|
The in lusion of all limits of su h |
sequen es |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
importan |
in all |
|
|
|
|
|
|
|
|
of limits. This ompleteness of the spa e |
|
|
|
|
|
|
N |
onfused with |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
P j |
|
|
iC |
|
of states (1 |
3) (with the |
|
|
|
|
|
of |
|
|
|
|
squared absolute values of the oeÆ ients C |
|
al to |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
to H meanspannedrealizing the topologi |
|
|
|
ompleteness property of the Hilbert spa e, being extremely |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the |
|
|
|
L |
|
|
L |
|
|
ofnsiderationsbasis set f g. |
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L |
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|||||||||||||||||
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|
ompleted by orresponding Cau h |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
with ompletenessabov given |
|
|
|
|
|
of |
|
|
rthogonality retained, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
no |
|
|
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|
N |
|
|
|
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|
|
|
|
|
nned by allpartistatle ve tors (113) for all N |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
de ned as the ompleted dire t sum of all H . It is sp |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
seq |
The extended Hilbert spa e F (Fo k sp e) of all states w |
|
|
|
the |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
notumber N not xed is |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
en es, just as the real line is obtained from the rationandl |
|
line |
by ompleting it with the help of |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
u |
|
|
ber are allowed too. (For bosoni elds as e.g. laser light those quantu ombinationsu tua ions an be tiomle |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cau they |
|
|
|
|
of rationalde nitionumbers. |
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
are linear |
|
|
|
|
|
|
|
|
with v |
ying |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Note |
hat F now on |
|
not only q antum states w |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
b |
|
|
so thasequendoese |
not havtainsde nite valu |
|
in the quantum state |
(o upation |
umber u tuations), |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
also |
linear |
ombinations with varying N so that now quantum |
|
u |
|
|
|
ations of |
he total par |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
important |
experimentally even for ma os opi N.) |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
7.3 |
|
|
|
whi |
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umber representation |
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|
r as |
||||||||||||||||||||||||||||
ho |
|
|
|
|
|
provide abandonjust transiti |
|
|
between basis states (113) whi h are as lose to eawith |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
W |
|
TheOde nitiupationof these r |
the |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
operators for |
|
|
|
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|
|
mustsimplesthav regardoperatorsthe an- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
no |
|
|
ompl tely |
|
|
|
|
|
|
wful w vefun tions (105) and will ex lusively work |
|
|
|
o - |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
tisymmetry of the quantum states |
|
|
|
|
to Pauli's |
ex lusion1 : : : n |
|
( 1) |
|
|
|
follo |
; |
j |
|
|
from this antisymmetry. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
upation |
|
umber eigen |
|
|
|
^ j : : : and: : :annihi= j : : : |
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
are |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ates (113) and m trix elements between t |
|
|
em. The |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
pos |
ible: those whi h di er in one o upat on |
|
umber only. |
|
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|
|
ation |
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|
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|
|
prin iple |
|
|
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||||||||||
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|
|
^ j :ation: : : : : |
|
= j : : : n |
+ 1 : : : (1 |
|
|
|
|
|
fermionsP |
|
|
: |
|
|
|
|
|
|
|
(114)5 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The u |
|
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|
of |
|
|
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|
|
will |
|
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|
lear below. By |
|
|
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|
|
|
j<iwingthe |
|
|
elements with |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
They are de ned as |
|
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|
j<i |
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
umbersefulnessdi erenthefrom fa0 tors1 do |
|
otbeappomear: appli ation of ^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0 gives zero, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
tothat state with n |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
eeded |
|
|
|
|
|
|
do p |
rti ularly |
not |
|
reate |
non-fermion |
|
|
states (tha |
|
|
|
|
states with o upa |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ll |
|
possible |
|
|
|
|
|
signumber |
|
|
|
|
|
|
|
|
= 1 |
|
(113), it |
|
is |
|
eas ly seen |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hese operators ha all the |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and appli ationo upatiof ^ |
to a state with |
|
|
|
|
|
|
es zero as well). The ^ |
|
and is,^ arematrixutually |
Hermitiona |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
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|
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
39 |
j |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
onsiderj |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
properties, |
|
|
y |
|
|
|
|
|
eigenstates+ ij |
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
onjugate, obey the key |
relations |
|
|
|
|
|
|
|
|
giv |
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
and |
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||
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|
^ j : : : |
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
: : :i = j : : : |
|
|
: : : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
6) |
|||||||||||||||||
|
|
|
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|
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: : : ^ ^ j : : : n |
|
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|
[^ ; ^ |
|
|
= Æ |
|
; |
|
|
[^ ; ^ |
|
|
|
= 0 = [^ |
; ^ |
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
(117) |
|||||||||||||||||||||||
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|
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|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
y |
|
|
|
d ned in |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
way. |
Reversely |
the anoni al |
||||||||||||||||||||||
wi h the anti mmutator [^ ; ^ |
|
|
|
= ^ ^ |
+ ^ ^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
anti ommu atio |
|
|
elatio |
|
(117) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
all the |
|
|
lgebrai |
|
properties of the ^-op ators and moreover |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
lasses of |
|
|
representati |
ns of those algebrai relations withstandarddi erent stru ture |
|
nd not unitary |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
The |
|
(113) of the Fo k spa e |
i |
is |
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
generated out of a singleare,b sis ve tor, the |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
+ |
|
|
|
|
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|
j |
|
|
j |
|
|
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|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
however, vast |
|||||||
de ne up to unitary equiv len e the Fo k-spa e representation (114, 115). (There |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
equivalen furtherto |
Fo k-spa e represde netation.) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ally |
|
|
|
|
y |
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
va uum basistate ji j0 : : : 0i (with N=0) by apply ng ^ - |
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rs |
|
|
|
|
|
|
in any order agrethe |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
sign fa tors of (114, 115). Sin pr |
|
du ts |
systematif signset |
of N ^ -operat |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
again the order |
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
jn1 |
: : : : : : |
|
|
= : : :operators:^ ^ ji |
|
|
|
|
|
|
(117) in |
|
|
|
|
(118) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
de ning |
|
|
|
|
|
|
|
|
fa tor |
in view |
|
|
|
|
ent with |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
with ea other up to possibly |
|
|
|
sig |
|
, all possible |
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
(118) do not |
|
|
s agree |
more di erent |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Observbasis e ors than those |
of |
(107) with the ongiventionexpressionsthe order |
of |
the |
|
|
|
upon there. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
With the help of the |
^-operators, |
|
|
|
y |
|
inear operator in the Fo k |
|
|
|
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may be |
expressed. It is |
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Hen forth, by using (118) w |
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written |
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need not bo her any more about the given |
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of the orbital |
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linegenerateord |
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indi es. |
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atrix e ements with |
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Hamiltonianumber eigenstates (113) as |
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Hamiltonian (109)) |
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the same |
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(119) |
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e ause both span the Fo k spa e, |
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tal states (107) and the o up o upationumber eigenstates and |
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has wi h determinantal st |
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in (110). Be ause of the one-to-o |
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orresponden e between the deter- |
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may be realized withmiltoniaboso ihanger at |
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fa tor. The orbitals |
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: : :i = j : : : n |
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(123) |
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+ 1 : : :i ni + 1; |
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The basis states of the Fo k spa e are reated out of the va uum a ording to |
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theorder.h.s. of (120, 121) not only ensures that |
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(122) |
holds but also ensure the mutual Hermitian |
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A spatial representation may be introdu ed in the Fo k spa e by |
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