نشریه پژوهش های نوین فیزیک
دوره 10، شماره 2 - ( پاییز و زمستان 1404 )
جلد 10 شماره 2 صفحات 61-38 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
Kiamehr Z. Modeling quantum effects in collisionless electrostatic plasmas and comparing results in two linear and nonlinear frameworks. JMRPh 2026; 10 (2) :38-61
URL: http://jmrph.khu.ac.ir/article-1-277-fa.html
URL: http://jmrph.khu.ac.ir/article-1-277-fa.html
کیامهر زینب. مدل سازی اثرات کوانتومی در پلاسماهای الکترواستاتیکی بدون برخورد و مقایسه نتایج در دو چارچوب خطی و غیرخطی. نشریه پژوهش های نوین فیزیک. 1404; 10 (2) :38-61
دانشگاه تفرش
چکیده: (7 مشاهده)
فیزیک پلاسمای کلاسیک عمدتاً بر رژیمهایی متمرکز است که با دماهای بالا و چگالیهای پایین مشخص میشوند و در آنها اثرات مکانیک کوانتومی عملاً قابل چشمپوشی است. با این حال، پیشرفتهای فناورانهی اخیر، بهویژه در زمینهی دستگاههای نیمهرسانا و ساختارهای نانومقیاس، موجب شدهاند که امکان بررسی و پیشبینی کاربردهای عملی فیزیک پلاسما در شرایطی فراهم شود که ماهیت کوانتومی ذرات نقشی اساسی ایفا میکند. در این پژوهش، رویکردهای گوناگونی برای مدلسازی اثرات کوانتومی در پلاسماهای الکترواستاتیکی بدون برخورد مورد بررسی قرار گرفتهاند. مدل جنبشی کامل این پدیدهها بر پایهی معادلهی ویگنر بنا شده است، که همتای کوانتومی معادلهی ولاسوف در فیزیک کلاسیک به شمار میرود. فرمالیسم ویگنر از این جهت برانگیزندهی توجه است که نظریهی مکانیک کوانتومی را در قالب فضای فاز آشنا و کلاسیک بازنمایی میکند، هرچند این بازنمایی با چالش وجود توابع توزیع گاه منفی همراه است. از دیدگاهی معادل، میتوان مدل ویگنر را بر حسب مجموعهای از N معادلههای شرودینگر تکذرهای، همراه با معادلهی پواسون، بازنوشت، که این توصیف همان فرمالیسم هارتری محسوب میشود و همبستگی نزدیکی با رویکرد چندجریانی در فیزیک پلاسمای کلاسیک دارد. برای کاهش پیچیدگیهای ذاتی در این رویکردهای جنبشی، میتوان با در نظر گرفتن گشتاورهای معادلهی ویگنر در فضای سرعت–مکان، یک مدل سیال کوانتومی استخراج کرد. چنین مدلهایی امکان بررسی رفتار جمعی ذرات را با دقت مناسب و در چارچوبی سادهتر فراهم میسازند. افزون بر این، در برخی رژیمهای خاص که به انرژیهای تحریک بالا مربوط میشوند، میتوان از مدلهای جنبشی نیمهکلاسیک نوع ولاسوف–پواسون استفاده کرد، به شرط آنکه حالت پایهی اولیه سامانه بر اساس اصول مکانیک کوانتومی در نظر گرفته شود. مدلهای مذکور در هر دو چارچوب خطی و غیرخطی مورد اعتبارسنجی و مقایسه قرار گرفتهاند و نتایج آنها نشان میدهد که ترکیب توصیفهای کوانتومی و کلاسیک، درک عمیقتری از رفتار پلاسما در مقیاسهای ریز و شرایط شدید فراهم میکند.
نوع مطالعه: گزارش مورد |
موضوع مقاله:
نانوفیزیک
دریافت: 1404/8/28 | پذیرش: 1405/2/7 | انتشار: 1404/12/29 | انتشار الکترونیک: 1404/12/29
دریافت: 1404/8/28 | پذیرش: 1405/2/7 | انتشار: 1404/12/29 | انتشار الکترونیک: 1404/12/29
فهرست منابع
1. F. Calvayrac, P.-G. Reinhard, E. Suraud, and C. Ullrich, Nonlinear electron dynamics in metal clusters. Phys. Rep. 337, 493-578, (2000). [DOI:10.1016/S0370-1573(00)00043-0]
2. J. Heimerl, A. Rasputnyi, J. Pölloth, S. Meier, M. Chekhova, P. Hommelhoff, Quantum light drives electrons strongly at metal needle tips. Nature Physics. 21, 1899-1904, (2025). [DOI:10.1038/s41567-025-03087-1] [PMID] []
3. S. D. Brorson, J. G. Fujimoto, and E. P. Ippen, Femtosecond electronic heat-transport dynamics in thin gold films. Phys. Rev. Lett. 59, 1962-1965, (1987). [DOI:10.1103/PhysRevLett.59.1962] [PMID]
4. V.A. Cimmelli, D. Jou, A. Sellitto, Hydrodynamic, electronic and optic analogies with heat transport in extended thermodynamics. Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics. 49, 2, (2024). [DOI:10.1515/jnet-2023-0096]
5. C. Su'arez, W. E. Bron, and T. Juhasz, Dynamics and transport of electronic carriers in thin gold films. Phys. Rev. Lett. 75, 4536-4539, (1995). [DOI:10.1103/PhysRevLett.75.4536] [PMID]
6. S. Giannini, J. Blumberger, Charge Transport in Organic Semiconductors: The Perspective from Nonadiabatic Molecular Dynamics. Accounts of Chemical Research. 55 (2022). [DOI:10.1021/acs.accounts.1c00675] [PMID] []
7. J.-Y. Bigot, V. Halt'e, J.-C. Merle, and A. Daunois, Electron dynamics in metallic nanoparticles. Chem. Phys. 251, 181-203, (2000). [DOI:10.1016/S0301-0104(99)00298-0]
8. J. Zhang, B. Zhu, L. Zhanga, J. Yu, Femtosecond transient absorption spectroscopy investigation into the electron transfer mechanism in photocatalysis. Chemical communications. 6 (2023) [DOI:10.1039/D2CC06300J] [PMID]
9. A. Domps, P.-G. Reinhard, and E. Suraud, Fermionic Vlasov propagation for Coulomb interacting systems. Ann. Phys. (N.Y.) 260, 171-190, (1997). [DOI:10.1006/aphy.1997.5710]
10. S. Jin, J. Jang, Non-relativistic limit of fermion ground states for the relativistic Vlasov-Poisson system. Journal of Mathematical Physics. 66, 011504, (2025). [DOI:10.1063/5.0225340]
11. N. C. Kluksdahl, A. M. Kriman, D. K. Ferry, and C. Ringhofer, Self-consistent study of the resonant-tunneling diode. Phys. Rev. B 39, 7720-7735, (1989). [DOI:10.1103/PhysRevB.39.7720] [PMID]
12. S.Y. Zhong, S.S. Zhang, X.X. Sun, M.S. Smith, Study of the deformed halo nucleus 31Ne with Glauber model based on microscopic self-consistent structures. Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 65, 262011, (2022). [DOI:10.1007/s11433-022-1894-6]
13. P. A. Markowich, C. A. Ringhofer, and C. Schmeiser, Semiconductor equations, Springer, Vienna, 1990. [DOI:10.1007/978-3-7091-6961-2]
14. S. Mondal, A. Sur, A novel unified modeling of heat and moisture transport in a semiconductor containing spherical cavity. Acta Mechanica. 6 (2026). [DOI:10.1007/s00707-025-04618-w]
15. M. C. Yalabik, G. Neofotistos, K. Diff, H. Guo and J. D. Gunton, Quantum mechanical simulation of charge transport in very small semiconductor structures. IEEE Trans. Electron Devices 36, 1009-1013, (2002). [DOI:10.1109/16.24341]
16. P.R. Bueno, Quantum Rate Dynamics for Coherent Electron Transport at Material/Electrolyte Interfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 13 (2026). [DOI:10.1021/acsami.5c25018] [PMID] []
17. J. H. Luscombe, A. M. Bouchard and M. Luban, Electron confinement in quantum nanostructures: Self-consistent Poisson-Schr¨odinger theory. Phys. Rev. B 46, 10262-10268, (1992). [DOI:10.1103/PhysRevB.46.10262] [PMID]
18. H. Jubair, Electronic and optical coupling in semiconductor nanostructures: A systematic review of quantum dots, nanowires, and nanoplatelets for high-efficiency solar cells. Journal of Power Sources. 669, 239394, (2026). [DOI:10.1016/j.jpowsour.2026.239394]
19. A. Arnold and H. Steinr¨uck, The 'electromagnetic' Wigner equation for an electron with spin. Z. Angew. Math. Phys. 40, 793-815, (1989). [DOI:10.1007/BF00945803]
20. C. Etl, M. Ballicchia, M. Nedjalkov, H. Kosina, Gauge-invariant Wigner equation for electromagnetic fields:Strong and weak formulation. Physics Letters A. 565, 5, 131127, (2026). [DOI:10.1016/j.physleta.2025.131127]
21. S. Balberg and S. L. Shapiro, The properties of matter in white dwarfs and neutron stars, astro-ph/0004317.
22. F. F. Chen, Introduction to plasma physics and controlled fusion, Plenum Press, New York, 1984.
23. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Statistical Physics, part 1, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1980. [DOI:10.1016/B978-0-08-057046-4.50008-7]
24. N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, Solid state physics, Saunders College Publishing, Orlando, 1976.
25. M. Bonitz et al., Theory and simulation of strong correlations in quantum Coulomb systems. J. Phys. A: Math. Gen. 36, 5921-5930, (2003). [DOI:10.1088/0305-4470/36/22/313]
26. E. P. Wigner, On the quantum correction for thermodynamic equilibrium. Phys. Rev. 40, 749-759, (1932). [DOI:10.1103/PhysRev.40.749]
27. J. E. Moyal, Quantum mechanics as a statistical theory. Proc. Cambridge Phil. Soc. 45 (1949), 99-124.24 Giovanni Manfredi V. I. Tatarskii, The Wigner representation of quantum mechanics. Sov. Phys. Usp. 26 (1983), 311-327 [Usp. Fis. Nauk. 139, 587], (1983). [DOI:10.1070/PU1983v026n04ABEH004345]
28. M. Hillery, R. F. O'Connell, M. O. Scully, and E. P. Wigner, Distribution functions in physics: Fundamentals. Phys. Rep. 106, 121-167 , (1984). [DOI:10.1016/0370-1573(84)90160-1]
29. G. Manfredi and M. R. Feix, Entropy and Wigner functions. Phys. Rev. E 53, 6460-6470, (2000). [DOI:10.1103/PhysRevE.53.6460] [PMID]
30. J.E. Drummond, Plasma Physics, McGraw- Hill, New York, 1961.
31. F. Haas, G. Manfredi, J. Goedert, Nyquist method for Wigner-Poisson quantum plasmas. Phys. Rev. E 64, 026413, (2001). [DOI:10.1103/PhysRevE.64.026413] [PMID]
32. M. Bonitz, D. C. Scott, R. Binder, and S. W. Scott, Nonlinear carrier-plasmon interaction in a one-dimensional quantum plasma. Phys. Rev. B 50, 15095-15098, (1994). [DOI:10.1103/PhysRevB.50.15095] [PMID]
33. E. K. U. Gross, J. F. Dobson, and M. Petersilka, Density functional theory of time-dependent phenomena, Topics in Current Chemistry, vol. 181, Springer, Berlin, pp. 81-172, 1996.
34. D. Pines, Classical and quantum plasmas. J. Nucl. Energy C 2, 5-17, (1961). [DOI:10.1088/0368-3281/2/1/301]
35. J. Dawson, On Landau damping. Phys. Fluids 4 , 869-874, (1961). [DOI:10.1063/1.1706419]
36. F. Haas, G. Manfredi and M. R. Feix, Multistream model for quantum plasmas. Phys. Rev. E 62, 2763-2772, (2000). [DOI:10.1103/PhysRevE.62.2763] [PMID]
37. D. Anderson, B. Hall, M. Lisak, and M. Marklund, Statistical effects in the multistream model for quantum plasmas. Phys. Rev. E 65, 046417, (2002). [DOI:10.1103/PhysRevE.65.046417] [PMID]
38. G. Manfredi and F. Haas, Self-consistent fluid model for a quantum electron gas. Phys. Rev. B 64, 075316, (2001). [DOI:10.1103/PhysRevB.64.075316]
39. D. Deutsch. Quantum theory, the church{turing principle and the universal quantum computer. Proc. R. Soc. Lond., 1985 [DOI:10.1098/rspa.1985.0070]
40. C. L. Gardner, Quantum hydrodynamic model for semiconductor devices. SIAM J. Appl. Math. 54, 409-427, (1994). [DOI:10.1137/S0036139992240425]
41. G. Manfredi and P.-A. Hervieux, Vlasov simulations of ultrafast electron dynamics and transport in thin metal films. Phys. Rev. B 70 (2004), 201402(R). [DOI:10.1103/PhysRevB.70.201402]
42. W. R. Frensley, Boundary conditions for open quantum systems driven far from equilibrium. Rev. Mod. Phys. 62, 745-791, (1990). [DOI:10.1103/RevModPhys.62.745]
43. W. Kohn and L. J. Sham, Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys. Rev. 140, A1133-A1138, (1965). [DOI:10.1103/PhysRev.140.A1133]
44. W. Ekardt, Work function of small metal particles: Self-consistent spherical jellium-background model. Phys. Rev. B 29, 1558-1564, (1984). [DOI:10.1103/PhysRevB.29.1558]
45. R. G. Parr and W. Young, Density functional theory of atoms and molecules, Oxford University Press, New York, 1989.
46. R. Balescu, Statistical mechanics of charged particles, John Wiley, London, 1963.
47. M. Bonitz, R. Binder, D. C. Scott, S. W. Koch, and D. Kremp, Theory of plasmons in quasi-onedimensional degenerate plasmas. Phys. Rev. E 49, 5535-5545, (1994). [DOI:10.1103/PhysRevE.49.5535] [PMID]
48. P. Bertrand and M. R. Feix, Nonlinear electron plasma oscillation: the" water bag model". Phys. Lett. A 28, 68-69, (1968). [DOI:10.1016/0375-9601(68)90606-3]
49. D. Deutsch and R. Jozsa. Rapid solution of problems by quantum computation. Proceedings: Mathematical and Physical Sciences. 439, 553-558, (1992). [DOI:10.1098/rspa.1992.0167]
50. N. Suh, M. R. Feix, and P. Bertrand, Numerical simulation of the quantum Liouville-Poisson system. J. Comput. Phys. 94, 403-418, (1991). [DOI:10.1016/0021-9991(91)90227-C]
51. G. Manfredi, Long-time behavior of nonlinear landau damping. Phys. Rev. Lett. 79, 2815-2818, (1997). [DOI:10.1103/PhysRevLett.79.2815]
52. C. Z. Cheng and G. Knorr, The integration of the Vlasov equation in configuration space. J. Comput. Phys. 22, 330-351, (1976). [DOI:10.1016/0021-9991(76)90053-X]
53. F. Filbet, E. Sonnendrucker, and P. Bertrand, Conservative numerical schemes for the Vlasov equation. J. Comput. Phys. 172, 166-187, (2001). [DOI:10.1006/jcph.2001.6818]
54. J. L. Lopez, Nonlinear Ginzburg-Landau-type approach to quantum dissipation. Phys. Rev. E 69, 026110, (2004). [DOI:10.1103/PhysRevE.69.026110] [PMID]
55. A. O. Caldeira and A. J. Leggett, Path integral approach to quantum Brownian motion. Physica A 121, 587-616, (1983). [DOI:10.1016/0378-4371(83)90013-4]
56. L. Diosi, Calderia-Leggett master equation and medium temperatures. Physica A 199, 517-526, (1993). [DOI:10.1016/0378-4371(93)90065-C]
57. W. H. Zurek, S. Habib, and J. P. Paz, Coherent states via decoherence. Phys. Rev. Lett. 70, 1187-1190, (1993). [DOI:10.1103/PhysRevLett.70.1187] [PMID]
58. W. Ebeling, A. F¨orstery, H. Hessz and M. Yu. Romanovsky, Thermodynamic and kinetic properties of hot nonideal plasmas. Plasma Phys. Control. Fusion 38, A31-A47, (1996). [DOI:10.1088/0741-3335/38/12A/004]
59. S. Lloyd. Universal quantum simulators. Science. 273 , 1073-1078, (1996). [DOI:10.1126/science.273.5278.1073] [PMID]
60. B. Shokri and A. A. Rukhadze, Quantum surface wave on a thin plasma layer. Phys. Plasmas 6, 3450-3454, (1999). [DOI:10.1063/1.873604]
61. B. Shokri and A. A. Rukhadze, Quantum drift waves. Phys. Plasmas 6, 4467-4471, (1999). [DOI:10.1063/1.873733]
62. L. Tian, R. Blatt, and P. Zoller. Scalable ion trap quantum computing without moving ions. The European Physical Journal D. 32, 201-208, (2004). [DOI:10.1140/epjd/e2004-00172-5]
63. N. Topaloglu, A. Aksekili, B. Yegin, a displacement dependent damper for a vibration-based energy harvester. Conference: SET2011, 10th International Conference on Sustainable Energy TechnologiesAt: Istanbul, Turkey.
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |