Dissertations / Theses on the topic 'Wigner equation'

The Schrödinger equation ... is considered. The solution of this equation is reduced to the problem of finding the eigenvectors of an infinite matrix. The infinite matrix is truncated to a finite matrix. The approximation due to the truncation is carefully studied. The band structure of the eigenvalues is shown. The eigenvectors of the multiwells potential are presented. The solutions of Schrödinger equation are calculated. The results are very sensitive to the value of the parameter y. Localized solutions, in the case that the energy is slightly greater than the maximum value of the potential, are presented. Wigner and Weyl functions, corresponding to the solutions of Schrödinger equation, are also studied. It is also shown that they are very sensitive to the value of the parameter y.

This work presents a method to quantitatively calculate the error induced through application of approximate boundary conditions in quantum charge transport simulations based on the Wigner transport equation (WTE). Except for the special case of homogeneous material, there exists no methodology for the calculation of exact boundary conditions. Consequently, boundary conditions are customarily approximated by equilibrium or near-equilibrium distributions known to be correct in the classical limit. This practice can, however, exert deleterious impact on the accuracy of numerical calculations and can even lead to unphysical results. The Yoder group has recently developed a series expansion for exact boundary conditions which, when truncated, can be used to calculate boundary conditions of successively greater accuracy through consideration of successively higher order terms, the computational penalty for which is however not to be underestimated. This thesis focuses on the calculation and analysis of the second order term of the series expansion. A method is demonstrated to calculate the term for any general device structure in one spatial dimension. In addition, numerical analysis is undertaken to directly compare the first and second order terms. Finally a method to incorporate the first order term into simulation is formulated.

Le modèle de Vlasov-Poirron est utilisé pour étudier l'expansion dans le vide d'un plasma à deux composantes. L'étude fait intervenir des techniques à la fois numériques (codes dits eulériens) et analytiques (transformation de redimensionnement). Selon la géométrie de l'expansion, on montre l'apparition de doubles couches chargées, ou bien la neutralisation du plasma. La validité des modèles hydrodynamiques est aussi discutée. L'expansion dans le vide est ensuite étudiée pour un plasma quantique (modèle de Schrödinger-Poisson), a une et deux espèces, pour différentes géométries. Nous analysons la manière dont ces systèmes approchent leur limite classique. Ces résultats sont étendus a des systèmes confines (gaz d'électrons dans un champ magnétique uniforme), pour lesquels nous avons développé un code pour la résolution des équations de Schrödinger-Poisson a deux dimensions spatiales. Un troisième modèle que nous abordons est celui de Wigner (représentation de la mécanique quantique dans l'espace des phases). Nous étudions quelques propriétés analytiques des fonctions de Wigner (définition d'une entropie, lissage par convolution). Ces concepts sont appliques à l'étude numérique d'un oscillateur quantique non linéaire

In this thesis, two methods to model quantum well lasers will be examined. The first model is based on well-known techniques to determine some of the spectral and dynamical properties of the laser. For the spectral properties, an expression for TE and TM modal amplitude gain is derived. For the dynamical properties, the rate equations are shown. The spectral and dynamical properties can be examined separately for specific operating characteristics or used in conjunction with each other for a complete description of the laser. Examples will be shown to demonstrate some of the analysis and results that can be obtained. The second model used is based on Wigner functions and the quantum Boltzmann equation. It is derived from general non-equilibrium Greens functions with the application of the Kadanoff-Baym ansatz. This model is less phenomenological than the previous model and does not require the separation of physical processes such as the former spectral and dynamical properties. It therefore has improved predictive power for the performance of novel laser designs. To the Author's knowledge, this is the first time such a model has been formulated. The quantum Boltzmann equations will be derived and some calculations will be performed for a simplified system in order to illustrate some calculation techniques as well as results that can be obtained.

Dans la première partie de cette thèse nous étudions la propagation des mesures de Wigner associées aux solutions de l'équation de Schrödinger à potentiels présentant des singularités coniques, et nous montrons qu'elles sont transportées par deux différents flots Hamiltoniens, l'un sur le fibré cotangent à la variété des singularités et l'autre ailleurs dans l'espace des phases, à moins d'un phénomène d'échange entre ces deux régimes qui peut se produire quand des trajectoires du flot extérieur atteignent le fibré cotangent. Nous décrivons en détail et le flot et la concentration de masse autour et sur la variété singulière, et illustrons avec des exemples quelques questions issues de la faute d'unicité des trajectoires classiques sur les singularités en dépit de l'unicité des solutions quantiques, ce qui refute tout principe de sélection classique, mais qui n'empêche dans certains cas de résoudre complètement le problème.Dans la deuxième partie nous présentons un travail mené en collaboration avec Dr. Clotilde Fermanian et Dr. Fabricio Macià où nous analysons une équation de type Schrödinger pertinente à l'étude semiclassique de la dynamique d'un électron dans un cristal avec impuretés et montrons que, dans la limite où la période caractérisique du réseau cristallin est sufisamment petite par rapport à la variation du potentiel extérieur représentant les impuretés, cette équation peut être approximée par une équation de masse effective, ou, plus généralement, que sa solution se décompose en modes de Bloch et que chacun d'eux satisfait une équation de masse effective spécifique à son énergie de Bloch
In the first part of this thesis we study the propagation of Wigner measures linked to solutions of the Schrödinger equation with potentials presenting conical singularities and show that they are transported by two different Hamiltonian flows, one over the bundle cotangent to the singular set and the other elsewhere in the phase space, up to a transference phenomenon between these two regimes that may arise whenever trajectories in the outsider flow lead in or out the bundle. We describe in detail either the flow and the mass concentration around and on the singular set and illustrate with examples some issues raised by the lack of uniqueness for the classical trajectories on the singularities despite the uniqueness of quantum solutions, dismissing any classical selection principle, but in some cases being able to fully solve the problem.In the second part we present a work in collaboration with Dr. Clotilde Fermanian and Dr. Fabricio Macià where we analyse a Schrödinger-like equation pertinent to the semiclassical study of the dynamics of an electron in a crystal with impurities, showing that in the limit where the characteristic lenght of the crystal's lattice can be considered sufficiently small with respect to the variation of the exterior potential modelling the impurities, then this equation is approximated by an effective mass equation, or, more generally, that its solution decomposes in terms of Bloch modes, each of them satisfying an effective mass equation specificly assigned to their Bloch energies

Le but principal de cette these est la resolution approximative des equations de type bethe-goldstone a l'aide des methodes semi-classiques. Deux methodes ont ete etudiees: 1) la theorie wkb qui, dans notre cas, a du etre generalisee pour des potentiels non locaux ne s'est pas averee tres fructueuse; 2) la deuxieme methode consiste a developper la partie imaginaire de la fonction de green autour de l'hamiltonien classique. Cette procedure a une forte parente avec la methode de thomas-fermi ou on developpe l'operateur de densite autour de l'hamiltonien classique. La force a deux corps utilisee contient deux termes separables ajustes a la partie centrale de la voie #3s#1-#3d#1 du potentiel reid soft core. Les resultats obtenus avec la deuxieme methode sont en tres bon accord avec les resultats exacts

Dans la première partie, on traite une équation de Schrödinger non linéaire et non locale qui intervient en physique des plasmas: problème de Cauchy local et global, ondes stationnaires et leur stabilité. Dans la deuxième partie, on étudie le problème de Cauchy local pour une classe d'équations dispersives en utilisant des effets régularisant globaux. Dans la troisième partie, on démontre des effets régularisant pour des équations dispersives grâce a une transformée de Wigner généralisée. Ceci fournit de nouvelles estimations

Dans cette thèse, on s’intéresse à l'étude théorique et à la simulation numérique de la dynamique de charges et de spins dans des nano-structures métalliques. Ces dernières années la physique des nano-structures métalliques à connu un intérêt croissant, aussi bien d'un point de vue de la physique fondamental que d'un point de vue des applications technologiques. Il est donc essentiel d'avoir des modèles théoriques nous permettant de décrire correctement ce type d'objets. Cette thèse comporte deux études distinctes. Dans un premier temps on utilise un modèle semi-classique dans l'espace des phases afin d'étudier la dynamique de charges et de spins dans des films ferromagnétiques(Nickel). On décrit dans le même modèle le magnétisme itinérant et le magnétisme localisé. On montre qu'il est possible, en excitant le système avec un laser pulsé femtoseconde dans le domaine du visible, de créer un courant de spin oscillant dans la direction normal du film sur des temps ultrarapides(femtoseconde). Dans un second temps on s’intéresse à la dynamique de charge d'électrons confinés dans des nano-particules d'Or ou bien encore par des potentiels anisotropes. On montre que de telles systèmes sont des candidats intéressant pour faire de la génération d'harmoniques
In this thesis we focus on the theoritical description and on the numerical simulation of the charge and spin dynamics in metallic nano-structures. The physics of metallic nano-structures has stimulated a huge amount of scientific interest in the last two decades, both for fundamental research and for potential technological applications. The thesis is divided in two parts. In the first part we use a semiclassical phase-space model to study the ultrafast charge and spin dynamics in thin ferromagnetic films (Nickel). Both itinerant and localized magnetism are taken into account. It is shown that an oscillating spin current can be generated in the film via the application of a femtosecond laser pulse in the visible range. In the second part we focus on the charge dynamics of electrons confined in metallic nano-particles (Gold) or anisotropic wells. We show that such systems can be used for high harmonic generation

Cette thèse est dédiée à l'étude mathématique de l'approximation de champ-moyen des gaz de bosons. En physique quantique une telle approximation est vue comme la première approche permettant d'expliquer le comportement collectif apparaissant dans les systèmes quantiques à grand nombre de particules et illustre des phénomènes fondamentaux comme la condensation de Bose-Einstein et la superfluidité. Dans cette thèse, l'exactitude de l'approximation de champ-moyen est obtenue de manière générale comme seule conséquence de principes de symétries et de renormalisations d'échelles. Nous recouvrons l'essentiel des résultats déjà connus sur le sujet et de nouveaux sont prouvés, particulièrement pour les systèmes quantiques sur réseau, incluant le modèle de Bose-Hubbard. D'autre part, notre étude établit un lien entre les équations aux hiérarchies de Gross-Pitaevskii et de Hartree, issues des méthodes BBGKY de la physique statistique, et certaines équations de transport ou de Liouville dans des espaces de dimension infinie. Résultant de cela, les propriétés d'unicité pour de telles équations aux hiérarchies sont prouvées en toute généralité utilisant seulement les caractéristiques génériques de problèmes aux valeurs initiales liés à de telles équations. Egalement, de nouveaux résultats de caractères bien posés et un contre-exemple à l'unicité d'une hiérarchie de Gross-Pitaevskii sont prouvés. L’originalité de nos travaux réside dans l'utilisation d'équations de Liouville et de puissantes techniques de transport étendues à des espaces fonctionnels de dimension infinie et jointes aux mesures de Wigner, ainsi qu'à une approche utilisant les outils de la seconde quantification. Notre contribution peut être vue comme l'aboutissement d'idées initiées par Z. Ammari, F. Nier et Q. Liard autour de la théorie de champ-moyen
This thesis is dedicated to the mathematical study of the mean-field approximation of Bose gases. In quantum physics such approximation is regarded as the primary approach explaining the collective behavior appearing in large quantum systems and reflecting fundamental phenomena as the Bose-Einstein condensation and superfluidity. In this thesis, the accuracy of the mean-field approximation is proved in full generality as a consequence only of scaling and symmetry principles. Essentially all the known results in the subject are recovered and new ones are proved specifically for quantum lattice systems including the Bose-Hubbard model. On the other hand, our study sets a bridge between the Gross-Pitaevskii and Hartree hierarchies related to the BBGKY method of statistical physics with certain transport or Liouville's equations in infinite dimensional spaces. As an outcome, the uniqueness property for these hierarchies is proved in full generality using only generic features of some related initial value problems. Again, several new well-posedness results as well as a counterexample to uniqueness for the Gross-Pitaevskii hierarchy equation are proved. The originality in our works lies in the use of Liouville's equations and powerful transport techniques extended to infinite dimensional functional spaces together with Wigner probability measures and a second quantization approach. Our contributions can be regarded as the culmination of the ideas initiated by Z. Ammari, F. Nier and Q. Liard in the mean-field theory

Ce travail de thèse comporte trois parties. La partie principale s'intéresse au transport des courants polarisés en spin dans des matériaux à base de semi-conducteurs. Nous dérivons et analysons une hiérarchie des modèles allant du niveau microscopique au niveau macroscopique et tenant compte des différents mécanismes de rotation et de relaxation du vecteur spin dans les semi-conducteurs. Les mécanismes essentiels pris en compte sont les couplages spin-orbite et les interactions avec renversement de spin (spin-flip interactions). Une analyse semi-classique (via la transformation de Wigner) de l'équation de Schrödinger avec hamiltonien spin-orbit est présentée. Au niveau cinétique, l'équation de Vlasov (ou Boltzmann) spinorielle est une équation à valeur dans l'ensemble des matrices carrées d'ordre deux hermitiennes et positives. Partant ensuite de la spinor forme de l'équation de Boltzmann (avec différents opérateurs de collisions avec et sans renversement du vecteur spin) et par des techniques d'asymptotiques de diffusion, nous dérivons et analysons plusieurs modèles macroscopiques. Ils sont de type dérive-diffusion, SHE, Energie-Transport, à deux composantes ou spinoriels conservant des effets de rotation et de relaxation du vecteur spin. Nous validons ensuite ces modèles par des cas tests numériques. Deux applications numériques sont présentées : la simulation d'un transistor à effet de rotation de spin et l'étude de l'effet d'accumulation de spin à l'interface entre deux couches semi-conductrices différemment dopées. Dans la seconde partie, nous considérons une équation cinétique de type Boltzmann linéaire dans des domaines où un champ magnétique fort est appliqué. Nous étudions la limite de diffusion en supposant que le champ magnétique est unidirectionnel et tend vers l'infini. Le modèle obtenu est un modèle macroscopique constitué d'une équation diffusive dans la direction parallèle au champ magnétique et d'une dérive représentant l'effet centre-guide en présence d'un champ électrique dans la direction perpendiculaire. .
This thesis is decomposed into three parts. The main part is devoted to the study of spin polarized currents in semiconductor materials. An hierarchy of microscopic and macroscopic models are derived and analyzed. These models takes into account the spin relaxation and precession mechanisms acting on the spin dynamics in semiconductors. We have essentially two mechanisms : the spin-orbit coupling and the spin-flip interactions. We begin by presenting a semiclassical analysis (via the Wigner transformation) of the Schrödinger equation with spin-orbit hamiltonian. At kinetic level, the spinor Vlasov (or Boltzmann) equation is an equation of distribution function with 2x2 hermitian positive matrix value. Starting then from the spinor form of the Boltzmann equation with different spin-flip and non spin-flip collision operators and using diffusion asymptotic technics, different continuum models are derived. We derive drift-diffusion, SHE and Energy-Transport models of two-components or spin-vector types with spin rotation and relaxation effects. Two numerical applications are then presented : the simulation of transistor with spin rotational effect and the study of spin accumulation effect in inhomogenous semiconductor interfaces. In the second part, the diffusion limit of the linear Boltzmann equation with a strong magnetic field is performed. The Larmor radius is supposed to be much smaller than the mean free path. The limiting equation is shown to be a diffusion equation in the parallel direction while in the orthogonal direction, the guiding center motion is obtained. The diffusion constant in the parallel direction is obtained through the study of a new collision operator obtained by averages of the original one. Moreover, a correction to the guiding center motion is derived. .

Dopo un’introduzione sui fondamenti matematici della Meccanica Quantistica e la sua formulazione wigneriana, si ricava un’equazione 1-dimensionale di Wigner con termine di decoerenza partendo dalla descrizione dettagliata di R. Adami, M. Hauray, C. Negulescu per la decoerenza di una particella pesante che interagisce con una particella leggera. Si mostra che il modello ottenuto ne contiene, quali casi particolari, altri già utilizzati per descrivere il fenomeno della decoerenza quantistica, come ad esempio l’equazione di Wigner–Fokker–Planck o le funzioni di Wigner con lunghezza di coerenza finita. Si indaga l’effetto della decoerenza sulla dinamica delle quantità macroscopiche (densità, corrente, energia) attraverso le corrispondenti leggi di bilancio. Si applica poi il modello ricavato ad una situazione di interesse fisico mediante simulazioni numeriche: un processo di tunneling in ambiente decoerente. Si investiga la questione asintotica per tempi lunghi nel caso di soluzioni gaussiane e si accenna al caso generale spazio omogeneo. Si mostra che l’aggiunta di un termine di frizione quantistica di tipo Caldeira-Legget all’equazione di Wigner con decoerenza è capace di realizzare il comportamento asintotico prevedibile sulla base di considerazioni di natura fisica.

We derived and studied several fluid models for quantum transport of electrons in graphene. The models have been derived from a collisional Wigner equation by means of an entropy minimization tecnique. Analytical results concerning one of the models have been achieved, showing the well-posedness of the model itself. Numerical simulations of a one-dimensional ballistic diode using two of the presented models have been performed, showing some interesting features of the considered models.