Треуго́льная ква́нтовая я́ма — одномерная потенциальная яма, ограниченная с одной стороны бесконечно высокой потенциальной стенкой, а с другой — потенциалом, линейно растущим с увеличением координаты. Один из простых профилей потенциала в квантовой механике, допускающих точное решение задачи о нахождении уровней энергии и волновых функций находящейся в яме частицы. Модель треугольной ямы используется, в частности, при исследованиях систем с двумерным электронным газом.

Модель потенциальной ямы Одномерная треугольная потенциальная яма ограничена с одной стороны бесконечно высокой потенциальной стенкой ( при ), а с другой — линейно растущим наклонным потенциалом  при (см. рис.1). Такой вид потенциальной энергии  соответствует однородному полю, действующему на частицу с силой , не зависящей от координаты. Примерами таких полей являются однородное электрическое поле  ( — заряд частицы,  — напряженность электрического поля) и гравитационное поле тяжести  ( — масса частицы, —ускорение свободного падения).

Решение уравнения Шрёдингера

Уравнения Шрёдингера и граничные условия Уравнение Шрёдингера для частицы в однородном поле имеет вид:

Граничные условия описывают абсолютно упругое отражение от потенциальной стенки при и убывание решения в классически недоступной области при :

Здесь  — масса частицы,  — редуцированная постоянная Планка, и  — искомые энергия и волновая функция частицы.

Замена переменной Для упрощения дальнейшего рассмотрения вводится безразмерная переменная

где . При использовании новой переменной задача сводится к решению уравнения Эйри

с граничными условиями

Общее решение уравнения Шрёдингера Общее решение уравнения Эйри имеет вид:

где и — функции Эйри 1-го и 2-го рода имеют при больших следующие асимптотики

При отрицательных значениях функции Эйри осциллируют и имеют бесконечное число нулей. Из граничного условия на бесконечности и экспоненциального роста следует, что константа , то есть решение задачи следует искать в виде

Дискретные уровни энергии Собственные значения энергии частицы () в треугольной яме определяются из условия обращения в нуль волновой функции на границе бесконечной потенциальной стенки:

где  — нули функции Эйри. В результате находим дискретный спектр энергий,

а соответствующая дискретному уровню волновая функция имеет вид:

Для первых пяти нулей значения приближённо равны: , , , , . При больших нули функций Эйри определяются выражением:

Нормировка волновой функции Значения констант находятся из условия нормировки

Вычисляя интеграл от квадрата волновой функции, которая вещественна,

находим нормировочные константы, которые зависят от номера квантового уровня:

где  — производная функции Эйри.

Функции ортогональны. В этом можно убедиться, вычислив интеграл от произведения волновых функций, принадлежащих разным квантовым состояниям :

Ширина потенциальной ямы Для рассматриваемой ямы волновые функции экспоненциально убывают при и отличны от нуля при сколь угодно больших расстояниях . Ширина классически доступной () области находится из условия

и составляет

Значения схематически показаны на рисунке 1.

Применение результатов

Задача об энергетическом спектре магнитных поверхностных уровней электронов приближённо сводится к модели треугольной потенциальной ямы. На малых расстояниях от поверхности проводника и в слабом магнитном поле в уравнении Шрёдингера можно пренебречь слагаемыми, квадратичными по векторному потенциалу, и эффективный потенциал ямы линейно зависит от расстояния от поверхности, которая описывается бесконечной стенкой.

Модель треугольной ямы используется при исследованиях двумерного электронного газа в инверсных слоях у границ раздела диэлектрик—полупроводник и границ двух разных полупроводников. Хотя в таких системах профиль зоны проводимости в полупроводнике сложнее, чем линейный, а разрыв зоны проводимости на гетерогранице не является бесконечным (см. рис.2), непосредственно вблизи этой границы яма приближённо считается треугольной, а разрыв зоны достаточно большим.

См. также Квантовое движение в электрическом поле Прямоугольная квантовая яма Осцилляции Зенера — Блоха Квантовый осциллятор Магнитные поверхностные уровни

Примечания

Литература

Категория:Квантовая механика Категория:Потенциал