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应用吸收边界条件求解非线性Schrödinger方程*
张艺书 , 罗香怡, 刘学深
(吉林大学原子与分子物理研究所,长春 130012)
E-mail :yshzhang@email.jlu.
[摘要] 采用 Xu等(Phys. Rev. E 74, 037704, 2006)提出的吸收边界条件数值求解了一维
非线性 Schrödinger方程,分别研究了一个孤立子和两个孤立子随时间的演化,讨
论了两个孤立子的运动速度对波函数随时间演化的影响。
[关键词] 非线性 Schrödinger方程,吸收边界条件,孤立子
一 引言
非线性Schrödinger方程是物理学中的一个重要物理模型,可以用来描述许多物理问题,
例如:在非线性光学中它可以描述在非线性介质中光束的传播[1]、等离子体物理中非线性磁
流体动力学[2] [3] [4] [5]
、深水中的引力波 、玻色爱因斯坦凝聚中凝聚体的演化 、以及激光聚变 等
等。
非线性 Schrödinger 方程可写成如下形式
2 2
∂ψ(x,t ) ∂ψ(x,t ) 2
i =− 2 +V (x )ψ(x , t) +f (ψ(x , t) )ψ(x , t) , (1)
∂t 2m ∂x
它描述的是质量为m 的粒子在空间x ∈(−∞∞, ) 且势能为 V ( x) 下的运动,并且满足归一化
条件
+∞
*
∫−∞ψ (x, t)ψ(x, t)dx 1 , ∀t (2)
为了数值求解非线性Schrödinger 方程(1) ,通常采用传统的Dirichlet 边界条件 (ψ 0) 或
∂ψ
Neuman边界条件( 0) ,对于散射问题或强场物理问题,这两种边界条件已经不再适用,
∂x
因为在边界处使用时会使波函数有较大的反射率。为了消除波函数在边界处的反射,Engquist
和Majda[6]提出了吸收边界条件,它在一个有限的计算区域中对除边界以外的解有很小的影
响。Shibata和Kuska[7-8]应用吸收边界条件求解了线性Schrödinger方程并得到了很好的结果。
Xu和Han[9]应用吸收边界条件求解了非线性Schrödinger方程,数值模拟了一个孤立子的运动
和具有排斥相互作用的非线性Schrödinger方程。
本文中,我们应用Xu和Han[9]提出的吸收边界条件求解了非线性Schrödinger方程,首先
考虑了一个孤立子的运动,再以两个孤立子做相向运动为例,数值模拟了它们随时间演化。
*高等学校博士学科点专项科研基金(20050183010)资助课题.
张艺书(1981-),女,硕士生,从事非线性物理方面的研究
1
二 吸收边界条件
[9]
为了方便求解方程 (1) ,在边界附近应用劈裂算子方法将它分成如下两个方程 ,即线
性方程
x t ⎡ 2
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