Meccanica quantistica relativistica/Formalismo di seconda quantizzazione per fermioni

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Template:Meccanica quantistica relativistica

Il formalismo appena visto per i bosoni si può estendere ai fermioni a patto di tenere presente che la funzione d'onda totale deve essere antisimmetrica. In termini di autofunzioni di singola particella si può quindi scrivere come un determinante di Slater:

Φ(r1,r2,,rN)|α1,α2,,αN=1N|φα1(r1)φα1(rN)φαN(r1)φαN(rN)|

si noti che questa scrittura permette automaticamente di soddisfare il principio di Pauli, in quanto l'antisimmetria è automaticamente soddisfatta.

Si cerchino ora degli operatori O^i analoghi agli operatori bosonici:

O^Φ(r1,r2,,rN)=l=1NO^iφαl(rl)conO^iφαl(rj)=δijO^lφαl(ri)

Si possono ora presentare solo due casi: p,l{1,,N} oppure p,l{1,,N}. Se l{1,,N}, l'operatore non agisce e restituisce 0. Se p{1,,N} allora nel determinante compare una seconda riga αp e di conseguenza si annulla.

Consideriamo il caso l{1,,N} e p{1,,N}. In questo caso l'operatore allora cambia la riga ma non preserva la normalizzazione. È importante specificare l'ordine degli stati e sistemarli nell'ordine giusto; si devono quindi effettuare delle permutazioni di righe che cambiano segno al determinante. Cerchiamo allora un operatore del tipo:

O^=p=0NOlpb^pb^p

dove il segno corretto è nell'operatore b^. Indichiamo gli stati occupati con la notazione:

|0,,0nonoccupati,1α1,1α2,,1αNoccupati

allora risulta:

bp|0,,0,1,,1p-simo,,1=(1)αi<pαi|0,,0,1,,0p-simo,,1

dove con αi<pαi si intende il numero di stati che precedono il p-simo. Più in generale se:

b^p=(1)αi<pαinpb^p=(1)αi<pαi(1np)

allora b^p e b^p apportano il segno giusto. Consideriamo infatti per semplicità il caso l>p.

b^lb^p|0,,0,1,,1p,,0l,,1=b^l(1)i=0p1αi|0,,0,1,,0p,,0l,,1==(1)ip1αi(1)[i=0p1αi+i=p+1Nαi]|0,,0,1,,0p,,1l,,1==(1)i=p+1Nαi=|0,,0,1,,0p,,1l,,1

e i=p+1Nαi è proprio il numero di posti di cui si è scambiato lo stato. Come si vede, l'operatore b^l crea un fermione nello stato l e l'operatore b^p distrugge un fermione nello stato p e sono chiamati pertanto rispettivamente operatore fermionico di creazione e operatore fermionico di distruzione.

Segue dalla definizione degli operatori b^p:

b^lb^p+b^lb^p=0l,p

infatti se l>p:

b^lb^p|,1p,,1l,=b^l(1)i=1p1αi|,0p,,1l,=(1)i=p+1l1αi|,0p,,0l,

quando si calcola b^pb^l, b^l agisce su uno stato occupato in più e ha quindi un segno meno in più che annulla la somma. In modo analogo si ricavano le regole:

b^lb^p+b^pb^l=δlpb^lb^p+b^pb^l=0l,p

In maniera analoga a quanto fatto per i bosoni, è possibile introdurre degli operatori definiti come:

Ψ^(r)=h=1nφh(r)b^hΨ^(r)=k=1nφk(r)b^k

Siccome b^ e b^ anticommutano risulta, ancora in analogia al formalismo bosonico:

[Ψ(r),Ψ(r)]=[Ψ(r),Ψ(r)]=0

e:[1]

[Ψ^(r),Ψ^(r)]=h,k=1lφh(r)φk(r)[b^h,]b^k=h=1lφh(r)φh(r)=δ(rr)

Si vede che l'operatore Ψ^(r) crea un fermione nella posizione r e l'operatore Ψ^(r) distrugge un fermione nella posizione r e sono dunque chiamati operatori di campo fermionico.

Da notare che i campi associati non sono osservabili, in quanto se si introduce in questa trattazione anche il tempo risulta che questi operatori non commutano su distanze time-like.

Note

  1. Si ricordi che le φ(r) sono un sistema completo.

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