Fund Project:We thank Dr. Wang Zhichang and Prof. Jiang Ying in Peking University for sharing their unpublished data and illuminating discussions, which led us to this theoretical investigation. This work was supported by the National Natural Science Foundation of China under Grants No. 11775101
Received Date:11 March 2020
Accepted Date:03 April 2020
Published Online:20 April 2020
Abstract:Quantum scar is an intriguing phenomenon in quantum or wave dynamics that the wavefunction takes an exceptionally large value around an unstable periodic orbit. It has attracted much attention and advances the understanding of the semiclassical quantization. Most of previous researches involving quantum scars focus on hard-wall quantum billiards. Here we investigate the quantum billiard with a smooth confinement potential which possesses complex classical dynamics. We demonstrate that the semiclassical quantization approach works well for both the stable and unstable classical periodic orbit, besides the fact that the shape of the orbits varies as the energy increases or even the stability switches. The recurrence rule of the quantum scars in this complex solf-wall billiard differs from that of the hard-wall nonrelativistic quantum billiard, such as being equally spaced in energy instead of being equally spaced in the square root of energy. These results implement the previous knowledge and may be used for understanding the measurements of density of states and transport properties in two-dimensional electron systems with random long-range impurities. Keywords:quantum scar/ soft-wall quantum billiard/ complex smooth potential quantum billiard/ quantization rule
其中$ U \!\!= \!\!1t $, $ \sigma \!=\! 0.2828 $, $ (x_{\rm G}, y_{\rm G}) \!=\! (-0.3441, 0.1226)$, 来进一步破坏系统的可积性. 这样整个势场形成左右两个谷, 中间一个峰, 其中右侧谷底的位置为$ (x_{\rm V}/L_0, y_{\rm V}/L_0) = (0.3574, -0.0179) $, 对应的势能为$ V_{\min} = 0.1053\, t $. 两个势谷之间存在两个鞍点, 对应的势能分别为$ 0.591\, t $和$ 0.976\, t $. 因此, 当粒子能量低于$ 0.591\, t $时, 其经典轨迹只能局限在其中的一个势谷中. 这里需注意, 哪怕粒子只被囚禁在一个谷中, 其经典动力学仍然不一定是可积的, 因为软的势场往往能够将经典动力学复杂化[23]. 我们参照文献[23]计算了粒子约束在图1(b) 势场中右侧谷时的庞加莱截面, 结果展示在图2 中. 粒子在势场中运动时, 动量分解为平行于势能等值线的分量$ p_{//} $和垂直于势能等值线的分量$ p_{\bot} $. 庞加莱截面定义为$ p_{\bot} = 0 $时的截面, 此时粒子轨迹与势能等值线相切. 这个切点相对于谷底的角度$ \theta $作为庞加莱截面的参数. 从这个庞加莱截面可以看出, 对于这个系统, 即使能量不太高时, 也有着复杂的结构, 破坏了系统整体的可积性. 但是系统有明确的 Kolmogorov–Arnold–Moser (KAM)岛, 岛中间对应着稳定轨道. 利用KAM岛中心点的参数, 可以精确找到该轨道, 研究该轨道上波函数的量子化条件. 图 2图1(b)势场的庞加莱截面, 即$ p_{\bot} = 0 $时$ p_{//} $ 对于此时的位置相对于右侧谷底的角度$ \theta $((a)—(c))和后面所处理的6 类轨道(d). (a)总能量$ E = 0.3 t $; (b) $ E = 0.45 t $; (c) $ E = 0.75 t $ Figure2. The Poincaré section of the motion of a particle moving in the potential field given by Fig. 1(b), e.g., when $ p_{\bot} = 0 $, $ p_{//} $ vs. the angle $ \theta $ of this point with respect to the bottom of the right valley $ (x_{\rm V}, y_{\rm V}) $ ((a)–(c)). The total energy of the particle is $ E = 0.3 t $ (a), $ E = 0.45 t $ (b), and $ E = 0.75 t $ (c), respectively. (d) The six classes periodic orbits that will be discussed later.
在求解该系统的本征能量和本征态时, 我们将$ \nabla^2 $进行有限差分, 将弹球区域分成间距为$ a $的正方形格子, 则得到系统在紧束缚近似下的哈密顿量
对于小扰动的情况, 我们固定$ \omega_x = 1 $, 考察了不同的$ \omega_y $. 对于不同的$ \omega_x $和$ \omega_y $的比例, 会得到不同的李萨如疤痕态. 图3展示了一些具有代表性的结果. 图 3图1(a)势场下粒子的本征态. 图中所画为一些具有代表性的波函数的模方, 凝聚在李萨如轨道上. $ x $和$ y $方向的频率比为(a)—(c) 1∶2, (d) 2∶3, (e) 3∶4, (f) 1∶3. 对所有情况, $ \omega'_x L_0 /\sqrt{2}a = 1 $, $ x/L_0 $的范围为$ [-\sqrt{2}, \sqrt{2}]L_0 $, 谐振子势在$ y = 0 $的边界上的值为$ 1 t $ Figure3. The representative eigen-wavefunctions of the billiard Fig. 1(a). Shown are the the square of the modulus of wavefunctions that are condensed on the Lissajous orbits. The ratio of the frequency in $ x $ and $ y $ directions are: (a)–(c) 1∶2, (d) 2∶3, (e) 3∶4, (f) 1∶3. For all case, $ \omega'_x L_0 /\sqrt{2}a = 1 $, the range of $ x $ is $ [-\sqrt{2}, \sqrt{2}]L_0 $ and the value of the harmonic potential at the $ y = 0 $ boundary is $ 1t $.
首先给出 bouncing ball 轨道的本征态的结果, 来检验分析的准确性. 对于图3(a)中那一类沿$ x $方向的 bouncing ball 态, 它们也是原二维谐振子系统的本征态((3)式), 对应着$ m = 0 $的态. 此时$ E_{n, 0} = \hbar[(n+1/2)\omega_x+(1/2)\omega_y] $, 其轨道方向的能量为$ E_t(n) = E_{n, 0} - (1/2)\omega_y $. 而在$ x $方向, 对于经典的谐振子, 能量和作用量的关系为$ S_t = \displaystyle\oint {{p}}\cdot {\rm d}{{q}} = \oint p_x\cdot {\rm d}x = 2{\text{π}} E_t / \omega_x $. 对于该轨道, 沿轨道方向的量子化条件为$ S_t = 2{\text{π}}\hbar(n+1/2) $. 这样找出所有沿$ x $方向 bouncing ball 轨道的本征态出来, 从其本征能量$ E $, 可以得到$ E_t $, 并进而得到$ S_t $, 从而得到量子数$ n $. 注意这样得到的$ n $不一定是整数. 另一方面, 可以通过数波函数的波包的个数把沿轨道一周的波长的数目确定下来, $ n $即为波长数减 1. 通过对比这样两种方式确定的$ n $, 可以判断能否通过数波函数波包的方式来得到该波函数相应的本征能量. 对于半经典公式的检验, 一般是反过来, 先确定横截方向的频率值, 在给定量子数下计算沿轨道的作用量, 再由作用量和能量的关系确定能量, 与计算得到的本征能量做对比. 这里我们的目的是给出疤痕态出现时所满足的必要条件, 即半经典量子化条件, 并考察半经典处理对于这些态的适用性问题, 由于疤痕态及其本征能量已经得到, 我们可以通过上述方式得到相应的轨道方向的量子数$ n $, 和数出来的波长数减1做对比. 由于整数$ n $对应满足量子化条件, 所以从对$ n $的偏离就可以很容易看出半经典描述对该组疤痕态的适用性. 对于复杂光滑势场中的疤痕态, 其横截方向量子数一般为 0, 在能量变化范围不大的时候, 横截方向量子数$ n $和能量之间接近线性关系, 因此从$ n $的差异也可以推得能量的差异. 纵向的 bouncing ball 态可以做类似的分析, 只需把$ \omega_x $和$ \omega_y $互换即可. 图4 做了这样的分析, 可以看出, 不管对于横向还是纵向的 bouncing ball 态, 当能量较小时, 比如$ E/t < 0.4 $, 两种方式得到的量子数符合得非常好. 能量较大时会有所偏离, 而且能量越大偏离越多. 这是由于$ \nabla^2 $算符的有限差分近似导致的, 同时能量$ E/t $在接近 1 时, 区域边界的硬墙势也会带来一定的影响. 图 4 小扰动下二维谐振子势中的bouncing ball量子态的轨道方向量子数$ n $对能量的依赖图. 叉号为根据波函数数出来的波长数减1, 圆圈为根据半经典公式得到的$ n $ (a)横向bouncing ball态; (b)纵向bouncing ball态. 小图$ \Delta n $为根据波函数数出来的结果和根据本征能量计算出来的结果的差 Figure4. The quantum numbers $ n $ along the trajectory vs. energy for bouncing ball states in the harmonic potential with a small perturbation. Crosses are the numbers of wavelengthes counted from the wavefunctions minus one, circles are derived from the semiclassical formulas: (a) Horizontal bouncing ball orbits; (b) vertical bouncing ball orbits. Insets show the difference $ \Delta n $ between these two methods.
对于具有较大扰动的谐振子, 3.1节中联系作用量与能量之间的公式不能继续使用, 作用量只能通过沿轨道的积分得到. 这时沿轨道的作用量$ S_t $和沿轨道运动的能量$ E_t $仍然具有一个确定的关系, 这个关系不能显式写出, 只能数值得到, 而且对于不同类型的轨道会有较大的差别. 并且, 由于势函数复杂的形式, 系统动力学对能量的依赖关系非常敏感. 首先即使对于同种类型的轨道, 随着能量的改变, 其轨道的形状也可能发生改变. 图6展示了在右侧势谷中的两组 bouncing ball 轨道. 当能量较低时, 轨道接近直线, 而随着能量的增加, 其形状在势场的约束下发生了弯折, 如图6中的第一类 (C1)轨道. 其次, 有些轨道可能形状变化不大, 但是随着能量的改变, 可能会出现从稳定到不稳定或者从不稳定到稳定的转变, 比如图6 中的第二类(C2)轨道. 这组轨道在能量$ E $小于$ 0.35t $时稳定, 在庞加莱截面图上对应着明显的KAM岛, 超过$ 0.35t $后该KAM岛分裂成上下两个小岛, 如图2(b)中$ \theta/(2{\text{π}}) $大约在0.3和0.8处的KAM岛所示, 而中心点为上下两个小KAM岛的交点, 是一个不稳定点. 而在能量超过$ 0.6t $以后, 该轨道又成为稳定的, 对应着庞加莱截面上新出现的一个KAM岛, 如图2(c)中最右侧的KAM岛所示. 而第一类(C1)轨道在$ 0.35 t $时也失稳, 所对应的KAM岛分成了左右两个小岛, 类似倍周期分叉, 但之后又成为稳定轨道, 一直到$ 0.6t $附近重新失稳. 还有其他一些轨道, 在低能时没有, 只在能量比较高时才出现, 如后面的第三类 (C3)轨道, 就是由C2分化而来的, 其所对应的不稳定轨道即为C4. C3和C4随着能量的增加一起演化, 逐渐偏离原来的C2轨道. 当能量为$ 0.7t $时, 一个新的与原来C2对应的稳定轨道出现, 虽然所对应的KAM岛比较小, 但后续一直存在. 而C4这一组不稳定轨道, 只有当能量非常高时, 比如$ 0.95t $, 才又变为稳定轨道了. 还有一些轨道, 比如连接左右两个势谷的轨道, 只有当能量高过他们之间的鞍点时($ 0.591t $)才会出现, 如后面处理的C5和C6两组轨道. C5对应有一个小的KAM岛. C6轨道非常敏感, 只有少量参数值的时候轨道才稳定, 有一个很小的KAM岛(在图中已经看不出来). 这些分析是通过考察确定这些轨道在庞加莱截面的位置以及庞加莱截面的结构随能量的变化而得出的. 对这些经典轨道有所了解之后, 我们就可以考察量子态在这些轨道上的凝聚及其量子化条件. 图 6 大扰动二维谐振子势场中的两类bouncing ball 轨道以及它们在零能量面上的投影. 纵轴对应的是每个轨道的能量值. 为了便于辨认, 势函数及其等势线也一起画在了图上. 第一组(C1)轨道对应着图2中在$ p_{//} = 0 $, $ \theta/(2{\text{π}})\approx 0.1 $和$ 0.6 $处两个最显著的KAM岛的中心轨道, 第二组(C2)轨道对应着图2(a)中在$ p_{//} = 0 $, $ \theta/(2{\text{π}})\approx $0.33和0.86 处两个KAM岛的中心轨道 Figure6. Two types of bouncing ball orbits in the potential shown in Fig. 1(b) and their projections on the zero energy surface. The potential function and its equipotential lines are also plotted. The first class of orbits (C1) corresponds to the center point of the two most significant KAM islands for $ p_{//} = 0 $, $ \theta/(2{\text{π}})\approx 0.1 $ and $ 0.6 $ in Fig. 2, and (C2) corresponds to the center points of the KAM islands for $ p_{//} = 0 $, $ \theta/(2{\text{π}})\approx 0.33 $ and $ 0.86 $ in Fig. 2(a).
对于这些轨道, 由于经典的能量和作用量没有确定的函数关系, 只能通过数值积分计算. 另一方面, 由于很多轨道在给定的能量值时由于KAM岛太小或本身不稳定就没有KAM岛, 并不容易得到, 这使得对于所有给定的疤痕态都根据其$ E_t $来直接寻找经典轨道并积分求得作用量变得异常困难. 在此, 我们采取一个迂回的方法. 首先, 根据量子系统的疤痕态所凝聚的轨道以及庞加莱截面上KAM岛的信息, 在不同能量$ E $下分别找到相应的轨道并计算其作用量$ S $, 对于每一类轨道, 我们在所涉及到的区间得到 10 个左右的数据点. 对于谐振子$ S $正比于$ E $, 这里由于势场的不规则性以及轨道形状的变化, $ S $对$ E $的依赖关系接近线性, 会有一点偏离. 利用这些数据点做二次多项式拟合, 得到拟合函数$ S = f_{\rm C}(E) $, 下标$ {\rm C} $表示这个函数是依赖于轨道的. 这样, 对于凝聚在某一类轨道$ {\rm C} $上的疤痕态及其本征能量$ E_{n, m} $, 其中$ n, m $分别为轨道方向和横截方向的量子数, 有$ E_{n, m} \!=\! E_t(n) \!+\! E_o(m)$$ +V_{\min} $, 其中$ E_o(m) = (m+ $$1/2)\hbar\omega_o $, $ \omega_o $为经典轨道横截模式的振荡频率, $ V_{\min} = 0.1053\, t $为该势场的最低值. 这样$ E_t = $$E_{n, m} - E_o(m) - V_{\min} $, 其经典作用量可以通过$ S_t = $$f_{\rm C}(E_t) $来得到. 由经典作用量, 可以通过$ S_t = (n+ $$1/2)2{\text{π}}\hbar $得到相应的量子数$ n $, 然后与从波函数图形上数出来的波长数减 1 相比, 来检验半经典量子化条件的适用性. 对于上一节中小扰动下的二维谐振子, 同一类轨道对应的这个频率近似为常数, 与能量无关. 这里将看到, 虽然对于复杂势场下同一类经典轨道可能存在重要差异, 但是其$ \omega_o $仍然近似保持恒定, 对能量依赖关系较小, 因此仍然能够近似成一个常数, 作为待定参数来处理. 由于横截方向的运动可以近似为简谐振子, $ \omega_o $与横截方向波函数的宽度的平方具有反比关系, 从我们所考察的能量区间不同波函数横截方向宽度基本一致也可以佐证$ \omega_o $近似为一常数. 而$ E_o $可以通过调整其值使得两者符合得最好来得到. 首先考察C1和C2这两类 bouncing ball轨道. 这两类轨道是能量较低时最稳定的轨道, 具有最大的KAM岛. 因此, 它们所对应的疤痕态非常规律, 并且除了常见的$ m = 0 $的态, 还有很好的$ m = 1 $的态, 这样$ \hbar\omega_o $除了可以作为拟合参数得到, 还能通过两组本征能量$ E_{n, 1} $和$ E_{n, 0} $相减直接得到. 图7内的小图展示了这个结果. 我们发现, 对于C1和C2两类轨道, 两种方法得到的$ \omega_o $值一致, 并且在整个能量范围, $ \omega_o $的变化幅度不超过$ 10\% $, 而且这部分能量本身就小, 因此$ \omega_o $可以作为常数来处理. 图 7 沿轨道方向量子数$ n $与能量的依赖关系. 叉号为根据波函数数出来的波长数减1, 圆圈为根据半经典公式得到的$ n $ (a)第一类bouncing ball 轨道(C1); (b)第二类bouncing ball 轨道(C2). 每个图中横截量子数$ m = 0 $为上面那组点, $ m = 1 $的为下面那组点. 对于C2轨道, 只有能量较低的时候有$ m = 1 $的量子态, 能量较高时在计算中没有发现$ m = 1 $的态. 图中小图展示了一些标准的疤痕态及其对应的经典轨道, 两种$ n $的差值(蓝色实心圆, 左侧坐标)以及由$ E_{n, 1}-E_{n, 0} $计算出的$ \omega_o $值(黑色空心圆, 右侧坐标), 其中横虚线为拟合得到的$ \omega_o $值($ \omega_o L_0 /(\sqrt{2}a) $), 对应的$ E_o = \hbar \omega_o /2 $分别为$ 0.0141 t $和$ 0.0121 t $ Figure7. The quantum numbers $ n $ along the trajectory vs. energy for bouncing ball states in the modified harmonic potential shown in Fig. 1(b) for C1 orbits (a) and C2 orbits (b). Crosses are the numbers of wavelengthes counted from the wavefunctions minus one, circles are derived from the semiclassical formulas. In each panel, the upper set of points are for $ m = 0 $, and the lower set of points are for $ m = 1 $. For C2 orbits, only when energy is small there are $ m = 1 $ states. Insets show the difference $ \Delta n $(solid circles, left coordinates) between these two methods, and $ \omega_o $ obtained from $ E_{n, 1}-E_{n, 0} $ (empty circles, right coordinates), where the horizontal dashed line is the $ \omega_o $ obtained from fitting to the data, and the corresponding energies $ E_o = \hbar \omega_o /2 $ are $ 0.0141 t $ and $ 0.0121 t $ for C1 and C2 orbits, respectively.
图7展示了C1和C2这两类 bouncing ball 轨道半经典估计的沿轨道方向的量子数和从波函数直接数出来的量子数. 对于C1轨道两者符合得较好, 对于C2轨道, 在能量低时符合得较好, 在能量高时有系统性的偏差. 这可能是由于对$ \omega_o $的估计的问题, 因为这里我们用了统一的$ \omega_o $值, 但是实际上低能轨道和高能轨道的差异还是很大的. 图8展示了其他轨道的情况. 对于C3, C4, C6轨道, 半经典方法得到的量子数与从波函数中数出来的量子数符合得比较好, 而C5轨道两者符合得要差一些, 这与C5轨道对应的量子疤痕态比较模糊不易分辨有关. 这里注意, C4在多数能量值下为不稳定轨道, 所以这里$ E_o $并不对应着横截模式的振荡频率$ \omega_o $, 而是与轨道稳定性有关的一个参数[14,33]. 此外, 当能量大于$ 0.95\, t $时, 该轨道已经稳定, 但是对应的KAM岛很小. 此时疤痕态仍然满足相同的半经典公式, 并没有因为经典轨道稳定性发生变化而出现显著差别. 图 8 沿轨道方向量子数$ n $与能量的依赖关系. 叉号为根据波函数数出来的波长数减1, 圆圈为根据半经典公式得到的$ n $. 这里所有态的横截量子数$ m $均为$ 0 $. (a)—(d)分别对应第三类(C3)、第四类(C4)、第五类(C5)、第六类(C6)轨道, 对应的$ E_o $分别为 0.0220$ t $, 0.0013$ t $, 0.0280$ t $, 和0.0193$ t $. 图中小图展示了一些标准的疤痕态及其对应的经典轨道, 以及两种$ n $的差值. C3只在能量为$ 0.35 t $时C2 失稳后才出现. C4为C2 的另外一支不稳定轨道, 只在能量超过$ 0.95 t $后才稳定. C5和C6 是连接两个势谷的轨道, 只在较高能级时出现 Figure8. The quantum numbers $ n $ along the trajectory vs energy. $ m = 0 $ for all cases. Crosses are the numbers of wavelengthes counted from the wavefunctions minus one, circles are derived from the semiclassical formulas. (a)–(d) correspond to C3-C6 orbits, with $ E_{o} = 0.0220\, t $, $ 0.0013\, t $, $ 0.0280\, t $ and $ 0.0193\, t $, respectively. Insets show some typical scarring states and the corresponding classical orbits, and the difference $ \Delta n $ between these two methods. Note that C3 orbits only appear for $ E > 0.35 t $ when C2 becomes unstable. C4 is the other unstable branch of C2, and becomes stable only for $ E > 0.95 t $. C5 and C6 are orbits connecting the two potential valleys, only appear when higher energy is high enough.