TDSE有限元模拟的透明边界条件

计算科学 有限元 边界条件 量子力学
2021-11-25 18:04:08

我已经实现了 Visscher 方法的一个版本,用于数值求解 TDSE(时间相关薛定谔方程的快速显式算法)(也在是否有简单的方法来数值求解时间相关薛定谔方程?)。

R(t+12Δt)=R(t12Δt)+ΔtHI(t)

I(t+12Δt)=I(t12Δt)ΔtHR(t)

我想知道如何为这样的方案实施透明的边界条件?如果您不计算边界并将其设置为零,则会产生完美的反射。我还尝试过“假装”边界元素在非边界侧以外的所有侧都被零包围 - 以模拟波前传播到虚无 - 这也反映了这一点。

2个回答

基里尔的答案是一个很好的方法,但它阻碍了您需要将其调整到特定能量范围的事实,因此如果您有需要吸收的宽带波包,则不合适。


另一种方法是外部复杂缩放,在

无限范围外部复杂缩放作为时间相关问题的完美吸收器。A.斯克林齐。物理。牧师 A 815, 053845 (2010) , arXiv:1002.2520

我们的想法是求解薛定谔方程,不是为了,而是为了它的解析延拓,在完成所有有趣的事情之后,以一个角度从实线分支到复平面。因此,如果求解,但不是真正的而是改为这样做的好处是形式的平面波将变为 呈指数下降的值无关ψ(x)ξxRx<Rx>Rx=eiθ(ξR)+Rψ(x)=eikx

ψ(ξ)=exp(ik(eiθ(ξR)+R))=eikReikcos(θ)(ξR)exp(ksin(θ)(ξR)),
k. 有关更多详细信息,请参阅 Scrinzi 的论文(处理此方法的特定离散化方案)和其中的参考资料。


另一种可行的方法是复吸收势,形式为iηxn. 这在例如

复吸收势的反射和透射特性研究。UV Riss 和 H.-D。迈耶。J.化学。物理。 1054, 1409 (1996)

在我看来,主要成分是具有轻微的非厄米汉密尔顿,这样eiHt将倾向于降低波函数的范数 - 并选择反厄米部分HH巧妙的是,只有外部的波函数部分被消除,而不会引入本身会引起反射的不连续性。但是,这通常并不完美,可能需要进行一些调整和调整才能使其正常工作。


第三种方法,称为吸收掩模的使用,相对粗略:在边界之前取一个“缓冲区”区域,并在每个时间步长处,将波函数乘以在边界处变为零的因子。那里有一堆这样的面具——粗略一看——似乎没有任何特定的选择突出。

您确实希望您的遮罩平滑地下降到零,否则您实际上是在施加狄利克雷边界条件,这将产生反射。除此之外,您需要将您的特定问题处理成适合您的东西 - 也就是说,该方法是逐案且相当繁琐,以使反射系数达到足够低的值。

在文献中,这些边界条件被称为吸收边界条件(或非反射、开放、辐射、不可见、远场),这是一个众所周知的话题。我认为一个清晰的描述是Fevens 和 Jiang的薛定谔方程的吸收边界条件。

这是一种方法(在上述论文中进行了描述;我没有直接实施和检查)。如果你有波函数ei(k2t+kx), 满足tψ=ixxψ,对应于具有已知固定动量的自由平面波k, 那么这个波函数也满足一阶方程

(ix+k)ψ=0.

所以如果你能猜到某个波数k很常见(因为,比如说,您将初始条件构造为围绕该波数的波包),边界条件

ix+k=0
对于具有波数的部分解决方案将不反射k. 它会反射其他波数,但它会更弱地反射接近的波数k. 的标志k不是任意的,并确定边界不反射的方向。我链接到的论文还提供了其他更准确的边界条件。