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模拟一维波包散射的部分代码

2022-09-22 11:15 作者:湛蓝色的彼岸花  | 我要投稿

部分 matlab 代码。


% 设置格点化的空间坐标


L = 100; % Interval Length

N = 5000; % No of points

x = linspace(-L/2,L/2,N)'; % Coordinate vector

dx = x(2) - x(1); % Coordinate step


%***************************************************************

%设置 Hamiltonian


V=83; %barrier height

U = V.*heaviside(x-1).*heaviside(-x+2)+ V.*heaviside(-x-1).*heaviside(x+2); % scattering off potential

G = 20;%控制边界上的衰减

U = U-heaviside(x-45)*(1i*G).*(x-45).*(x-45)-heaviside(-x-45)*(1i*G).*(x+45).*(x+45); %边界附近的虚势能,把跑到边界的粒子移出系统


% Finite-difference representation of Laplacian and Hamiltonian

e = ones(N,1);

Lap = spdiags([e -2*e e e e],[-1 0 1 N-1 -N+1],N,N)/dx^2; % 周期性边界条件下的离散Laplacian 

H = -(1/2)*Lap + spdiags(U,0,N,N); % Hamiltonian

% Parameters for computing psi(x,T) at different times 0 < T < TF

NT = 4000; % No. of time steps

TF = 150; T = linspace(0,TF,NT); % Time vector

dT = T(2)-T(1); % Time step

hbar = 1;

% Time displacement operator E=exp(-iHdT/hbar)

E = expm(-1i*full(H)*dT/hbar); % time desplacement operator


%***************************************************************

%***************************************************************

%***************************************************************

% 下面部分可以和上面部分分开运行。

% 仅修改波函数以及画图的相关参数时,不必重复运行上面的部分。


% Parameters for making intial wavefunction psi

ko1 = 12.50; 

ko2 = 12.73;

ko3 = 12.96;

%ko = 12.7292206; % Peak momentum

a = 7; % package width

xo=-22;% peak center


% 离散化的空间坐标对最大动量有限制,不然会出现Bloch振荡这类现象

if ko1>(pi*N/L)

    error('too large ko1');

end

if ko2>(pi*N/L)

    error('too large ko2');

end

if ko3>(pi*N/L)

    error('too large ko3');

end


% 设置波函数为 平面波*Gauss轮廓,及其归一化

psi1 = exp(-(x-xo).^2/(2*a.^2)).*exp(1i*x*ko1);

psi1 = psi1/sqrt(psi1'*psi1*dx); % normalize the psi(x,0)

psi2 = exp(-(x-xo).^2/(2*a.^2)).*exp(1i*x*ko2);

psi2 = psi2/sqrt(psi2'*psi2*dx); % normalize the psi(x,0)

psi3 = exp(-(x-xo).^2/(2*a.^2)).*exp(1i*x*ko3);

psi3 = psi3/sqrt(psi3'*psi3*dx); % normalize the psi(x,0)


% 画图的乱七八糟的参数

% y用于设置fft图的横坐标

D=floor(20*(L/2-2)/(2*pi));

y = 2*pi*(0:length(floor(N/2+N*(2/L)):N)-1)/(L/2-2);

N1=length(y);

H=0.1;

fig=figure;

fig.Position = [0 0 2000 1000];

dy = y(2)-y(1);


for t = 1:NT  % time index for loop

% calculate probability density rho(x,T)

psi1 = E*psi1; % calculate new psi from old psi

rho1 = conj(psi1).*psi1; % rho(x,T)

psi2 = E*psi2;

rho2 = conj(psi2).*psi2; 

psi3 = E*psi3;

rho3 = conj(psi3).*psi3; 


% 右侧(透射)区域的动量密度分布

f1t = fft(psi1(N-N1+1:N))/sqrt(N1);

f2t = fft(psi2(N-N1+1:N))/sqrt(N1);

f3t = fft(psi3(N-N1+1:N))/sqrt(N1);

% 左侧(入/反射)区域的动量密度分布

f1i = fft(psi1(1:N1))/sqrt(N1);

f2i = fft(psi2(1:N1))/sqrt(N1);

f3i = fft(psi3(1:N1))/sqrt(N1);


% 画图

subplot(223);

plot([ko1,ko1],[-9,5],'color',[0,0.4,0.5],'LineStyle','--');

hold on

% 对 fft 的结果重排,把后半部分挪到 k<0 的位置(类似于把 0~2π 改为 -π)

plot(...

    [y(N1-D:N1)-y(N1)-dy,y],log([abs(f1t(N1-D:N1)).^2;abs(f1t).^2]),'c',...

    [y(N1-D:N1)-y(N1)-dy,y],log([abs(f2t(N1-D:N1)).^2;abs(f2t).^2]),'k',...

    [y(N1-D:N1)-y(N1)-dy,y],log([abs(f3t(N1-D:N1)).^2;abs(f3t).^2]),'r');

axis([-17 17 -9 5]); 

hold off

xlabel('k_t', 'FontSize', 24);


subplot(222);

plot([ko1,ko1],[-9,5],'color',[0,0.4,0.5],'LineStyle','--');


hold on

plot([-ko1,-ko1],[-9,5],'color',[0,0.4,0.5],'LineStyle','--');

plot(...

    [y(N1-D:N1)-y(N1)-dy,y],log([abs(f1i(N1-D:N1)).^2;abs(f1i).^2]),'c',...

    [y(N1-D:N1)-y(N1)-dy,y],log([abs(f2i(N1-D:N1)).^2;abs(f2i).^2]),'k',...

    [y(N1-D:N1)-y(N1)-dy,y],log([abs(f3i(N1-D:N1)).^2;abs(f3i).^2]),'r');

hold off


axis([-17 17 -9 5]); 

xlabel('k_{ir}', 'FontSize', 24);


subplot(221);

plot(x,rho1,'c',x,real(psi1).^2,'g--',...

    x,rho2,'k',x,real(psi2).^2,'b--',...

    x,rho3,'r',x,real(psi3).^2,'m--'); % plot rho(x,T) vs. x

hold on 

plot([1,1],[0,H],'color',[0,0.5,0.4],'LineStyle','--');

plot(-[1,1],[0,H],'color',[0,0.5,0.4],'LineStyle','--');

plot([2,2],[0,H],'color',[0,0.5,0.4],'LineStyle','--');

plot(-[2,2],[0,H],'color',[0,0.5,0.4],'LineStyle','--');

hold off

axis([-L/2 L/2 0 H]); % set x,y axis parameters for plotting

xlabel('x', 'FontSize', 24);


subplot(224);

plot(x,rho1,'c',x,real(psi1).^2,'g--',...

    x,rho2,'k',x,real(psi2).^2,'b--',...

    x,rho3,'r',x,real(psi3).^2,'m--'); % plot rho(x,T) vs. x

hold on 

plot([1,1],[0,H],'color',[0,0.5,0.4],'LineStyle','--');

plot(-[1,1],[0,H],'color',[0,0.5,0.4],'LineStyle','--');

plot([2,2],[0,H],'color',[0,0.5,0.4],'LineStyle','--');

plot(-[2,2],[0,H],'color',[0,0.5,0.4],'LineStyle','--');

hold off

axis([-3 3 0 H/5]); % set x,y axis parameters for plotting

xlabel('x', 'FontSize', 24);


drawnow

end

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