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élément de matrice

élément de matrice — anatomie d'une formule
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Description

En mécanique quantique, un élément de matrice est un nombre complexe qui quantifie l'amplitude de probabilité d'une transition entre deux états quantiques sous l'action d'un opérateur. C'est un objet central en théorie des perturbations, en théorie de la diffusion et dans le calcul de grandeurs observables comme les taux de transition et les sections efficaces. L'élément de matrice encode la « force » d'un couplage entre états, comme l'interaction d'un atome avec un champ électromagnétique ou la désintégration d'une particule.

Histoire

Le concept a été développé à la fin des années 1920 par Max Born, Werner Heisenberg et Pascual Jordan dans le cadre de la mécanique matricielle, la première formulation complète de la mécanique quantique. Il a ensuite été intégré à la notation bra-ket de Dirac, qui est désormais standard.

Comment ça marche

Formellement, un élément de matrice s'écrit ⟨ψ_f|Ô|ψ_i⟩, où |ψ_i⟩ et |ψ_f⟩ sont les états quantiques initial et final, et Ô est un opérateur représentant une grandeur physique ou une interaction. La valeur est calculée en intégrant sur tout l'espace de configuration le produit du conjugué complexe de l'état final et de l'opérateur agissant sur l'état initial. Le module au carré de l'élément de matrice donne la probabilité de la transition, qui est ensuite utilisée dans la règle d'or de Fermi pour calculer les taux.

En pratique

Les éléments de matrice sont utilisés pour calculer les taux de désintégration des noyaux radioactifs, les sections efficaces de diffusion en physique des particules, et les spectres d'absorption et d'émission en physique atomique et moléculaire.

Anecdote

En physique des particules, l'élément de matrice pour un processus comme l'annihilation électron-positron est souvent calculé à l'aide de diagrammes de Feynman, où chaque diagramme contribue un terme à l'élément de matrice total.

Concept graph →

Formules

$$A(\omega) = \sum_n |\langle n | \mathcal{O} | 0 \rangle|^2 \delta(\omega - (E_n - E_0))$$
Measures the probability of excitations at energy ω.
Ce qu'il y a dans la formule
A(ω)variablespectral function value at energy ω — spectral function
ωvariableenergy variable (frequency) — énergie joule
nvariableindex labeling excited eigenstates
|n⟩variableexcited eigenstate of the system — état quantique
|0⟩variableground state of the system — état quantique
Ovariableoperator whose excitations are probed — operator
E_nvariableenergy of excited state n — énergie joule
E_0variableenergy of ground state — énergie joule
⟨n|O|0⟩opérateurinner product of states with operator applied — élément de matrice
δ(...)opérateurselects only contributions at exact energy difference — dirac delta
∑_nopérateuradds contributions from all possible excitations — somme
$$E_n \approx E_n^{(0)} + \sum_{m \neq n} \frac{|\langle m^{(0)} | H' | n^{(0)} \rangle|^2}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}}$$
Energy correction from summing over matrix elements divided by energy differences.
Ce qu'il y a dans la formule
E_nvariablePerturbed energy of state n — énergie joule
E_n^{(0)}variableUnperturbed energy of state n — énergie joule
E_m^{(0)}variableUnperturbed energy of state m — énergie joule
H'variablePerturbation Hamiltonian — hamiltonien joule
|n^{(0)}\ranglevariableUnperturbed state n — état quantique
|m^{(0)}\ranglevariableUnperturbed state m — état quantique
\sum_{m \neq n}opérateurSum over all states m except n — somme
\langle m^{(0)} | H'opérateurMatrix element of perturbation between unperturbed states — élément de matrice
$$\Gamma_{i\to f} = \frac{2\pi}{\hbar} |\langle \psi_f | H' | \psi_i \rangle|^2 \rho(E_f)$$
Transition rate due to perturbation depends on matrix element and density of states.
Ce qu'il y a dans la formule
\Gamma_{i\to f}variableTransition rate from initial state i to final state f — transition rate per second
\psi_ivariableInitial quantum state — fonction d'onde
\psi_fvariableFinal quantum state — fonction d'onde
H'variablePerturbation Hamiltonian — perturbation hamiltonian joule
\rho(E_f)variableDensity of final states at energy E_f — densité d'états per joule
\hbarconstanteReduced Planck constant, relating energy to angular frequency — constante de Planck réduite = 1.054571817e-34 joule second
\langle \psi_f | H' opérateurMatrix element of the perturbation between initial and final states — élément de matrice

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