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コンテスト/Gnit Elite Open 004 (GEO004)/第5問 完全透過する二重不純物
第5問

完全透過する二重不純物

終了
1000 ptsLv.10 上級量子
2026/10/18 21:00〜2026/10/18 22:30
作成者:admin

問題文

無限に長い一次元結晶格子を考える。格子点には整数 n∈Zn\in\mathbb{Z}n∈Z を割り当て、各格子点に局在した電子状態 ∣n⟩|n\rangle∣n⟩ は正規直交基底をなす。

電子は隣接する格子点間のみを移動でき、そのホッピングエネルギーを J>0J>0J>0 とする。

格子点 n=0,2n=0,2n=0,2 には同一の不純物が存在し、それぞれの局所エネルギーは他の格子点より V>0V>0V>0 だけ低い。

電子のハミルトニアンは

H=−J∑n=−∞∞(∣n⟩⟨n+1∣+∣n+1⟩⟨n∣)−V(∣0⟩⟨0∣+∣2⟩⟨2∣)H=-J\sum_{n=-\infty}^{\infty} \left(|n\rangle\langle n+1|+|n+1\rangle\langle n|\right) -V\left(|0\rangle\langle0|+|2\rangle\langle2|\right)H=−Jn=−∞∑∞​(∣n⟩⟨n+1∣+∣n+1⟩⟨n∣)−V(∣0⟩⟨0∣+∣2⟩⟨2∣)

である。

エネルギー EEE をもつ定常散乱状態の各格子点における確率振幅を ana_nan​ とする。

不純物の存在しない左右の領域では、電子が左側から入射する散乱状態を

an={eikn+r(k)e−ikn(n≤−1)t(k)eikn(n≥3)a_n= \begin{cases} e^{ikn}+r(k)e^{-ikn} & (n\leq-1)\\ t(k)e^{ikn} & (n\geq3) \end{cases}an​={eikn+r(k)e−iknt(k)eikn​(n≤−1)(n≥3)​

とする。ただし、0<k<π0<k<\pi0<k<π であり、

E=−2Jcos⁡kE=-2J\cos kE=−2Jcosk

が成り立つ。r(k)r(k)r(k)、t(k)t(k)t(k) はそれぞれ反射振幅と透過振幅である。

透過確率を

T(E)=∣t(k)∣2T(E)=|t(k)|^2T(E)=∣t(k)∣2

とする。

この系で、許容エネルギー帯域の内部において T(E)=1T(E)=1T(E)=1 となるエネルギーを E∗E_*E∗​ とする。

完全透過の共鳴の鋭さを表す無次元量 WWW を

W=lim⁡E→E∗T(E)−1−1(E−E∗J)2W=\lim_{E\to E_*} \frac{T(E)^{-1}-1} {\left(\frac{E-E_*}{J}\right)^2}W=E→E∗​lim​(JE−E∗​​)2T(E)−1−1​

によって定義する。

WWW を求めよ。

制約

  • J=0.18 eVJ=0.18\,\mathrm{eV}J=0.18eV
  • V=0.63 eVV=0.63\,\mathrm{eV}V=0.63eV

入力形式

WWW を既約分数

W=pqW=\frac{p}{q}W=qp​

で表す。ただし、p,qp,qp,q は互いに素な正の整数とする。

p+qp+qp+q の値を自然数で入力せよ。

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