Lucie Solimany, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1997 :

"Elektronen in inhomogenen Magnetfeldern"


Schlagwörter: chaos physik
Summary

Kurzfassung

Die Zustandsdichte eines Systems mit räumlich zufällig verteilten magnetischen Flüssen ist in den Bandausläufern, für niedrige Energien, nahezu gleich Null. Um diese Abwesenheit der Zustände niedriger Energien zu verstehen, haben wir eine einfache Anordnung eines feldfreien Gebietes im homogenen Magnetfeld untersucht, weil in diesem Bereich die Zustände niedriger Energien zu erwarten sind. Wir betrachten ein Elektron, das innerhalb eines Kreises vom Radius r0 in der Ebene mittels eines nicht homogenen magnetischen Feldes, das für r<r0 B = 0 und B=B ez sonst ist, eingeschlossen wird. Dieses System ist klassisch integrabel und die Schrödingergleichung kann analytisch gelöst werden. Der wesentliche Unterschied zum Potentialtopf liegt in der Symmetrieklasse. Während im magnetischen Topf die Zeitumkehrinvarianz gebrochen ist, bleibt sie im Potentialtopf erhalten. Die Eigenenergien sind für positive Drehimpulse erniedrigt, für negative erhöht im Vergleich zu den Landauniveaus( r0=0). Die Verteilung der Energieniveauabstände entspricht der Poisson-Verteilung, wie erwartet für ein klassisch integrables System. Chaotische Bewegung wird durch zwei zusätzliche kreisförmige Flüsse bei r =+/- (r0/2) er vom Radius rf, in denen B=B ez gilt, induziert. Für rf < r0/2 erhalten wir in der klassischen Mechanik ein gemischtes System, sowohl chaotische als auch reguläre Bewegungen sind möglich. Da die Bewegung im Topf von der Richtung der Geschwindigkeit, dem Drehimpuls und vom Zyklotronradius abhängt, ist eine Abbildung auf ein Kreisbilliard mit fluktuierenden Wänden möglich. Das System hat keine Zeitumkehrinvarianz T, es ist aber unter anti-unitärer Transformation T Sy invariant (Sy ist die Spiegelsymmetrie). Das klassisch nicht-integrable System kann quantenmechanisch nicht analytisch behandelt werden. Wir haben das Spektrum numerisch berechnet. Die Verteilung der Energieniveauabstände verhält sich wie die der Gaußschen orthogonalen Gesamtheit, wie erwartet für ein System mit anti-unitärer Symmetrie. Einige Eigenzustände zeigen im Koordinatenraum eine hohe Wahrscheinlichkeit in der Nähe von klassisch periodischen Trajektorien, ähnlich zu "`scars"'("`Narben"') in gewöhnlichen Billiardsystemen. Dagegen gibt es andere, die völlig zufällig verteilte Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Raum haben, "`chaotische"' Zustände. Die semiklassische Husimi--Funktion, eine Art von Phasenraumdarstellung der Zustände, ist für "`scars"' im regulären Bereich des klassischen Phasenraumes, für "`chaotische"' Zustände im chaotischen See lokalisiert.

Titel

Kurzfassung

Summary

The density of states of a system with randomly distributed magnetic fluxes is in the band tails, for small energies approximately zero. In order to unterstand the absence of states small energies, we have considered a simply arragement of a fieldfree region in homogeneous magnetic field, because these states are expected to be localised in such fieldfree regions. We consider an electron moving in the (r,\phi)-plain under the influence of a perpendicular magnetic field in the z-direction, which is non-zero except within a cylinder of the radius r0. The classical treatment leads to the result that the system is integrable and the Schrödinger equation can be solved analytically. The main difference to a potential square wall is the symmetry class. In a magnetic quantum dot is the time reversal symmetry broken, in a system with potential square wall is it not. The eigenenergies are for positive and negative angular momenta decreased and increased, respectively, as compared to the Landau levels (r0=0). The distribution of energy level spacings is Poissonian, as expected for a classically integrable system. Classically chaotic motion is induced by two additional magnetic fluxes of radius rf by r =+/- (r0/2) er, where B=B ez. For rf < r0/2 we get in the classical treatment a mixed system, both regular and chaotic motions are possible. The shifted reflexion of the electron in the dot is dependent of the cyclotron radius and of the direction of the velocity of the electron. It is possible to map this system on a circular billiard with fluctuating walls. The system has no time reversal symmetry T, but it invariant under the anti-unitary transformation T Sy. (Sy is the mirror symmetry.) The classically non integrable system can not be analytically solved in the quantum mechanical treatment. We have calculated the spectrum numerically. The distribution of the nearest neighbour level spacings shows the behavior of Gaussian orthogonal ensamble, as expected for a system with anti-unitary symmetry. Some of the states show in the coordinate space high probability distribution near of classically periodic orbits, similar to "'scars"' in usual billiard systems. On the other hand, there exist also states with randomly distributed probablity in coordinate space. The semiclassical Husimifunction, a phase space picture of the state, is for "'regular"' states in the regular region of classical phase space localised, for "'chaotic"' states in the chaotic sea of the classical phase space.