L3-PHYSIQUE
Examen de Mécanique Quantique
Première session – Mai 2016
3 heures, documents manuscrits autorisés (cours et TD), pas de smartphone
Exercice 1 : Oscillateur harmonique
On considère un oscillateur harmonique décrit par l’Hamiltonien
ˆ
H=ˆ
P2
2m+mω2
2ˆ
X2(1)
Après le changement de variables ˆq=pmω
~ˆ
Xet ˆp=1
√m~ωˆ
P, cet Hamiltonien s’écrit ˆ
H=~ω
2(ˆp2+ ˆq2). On définit
les opérateurs
ˆa=ˆq+iˆp
√2,ˆ
N= ˆa+ˆa(2)
1. Rappeler les actions des opérateurs ˆ
H,ˆa+et ˆasur les états propres |nide l’opérateur ˆ
Nde valeur propre
n.
2. Trouver les deux fonctions propres φn(x) = hx|nide plus basses énergies, explicitement comme des variables
de x, grâce aux expressions de ˆa+et ˆadans l’espace réel.
Exercice 2 : Particule ferromagnétique
On considère une particule ferromagnétique décrite par l’Hamiltonien effectif
ˆ
H=aˆ
Jz+b
~ˆ
J2
z(3)
où aet bsont deux constantes positives ou nulles ayant les dimensions d’une pulsation. Le système a trois états
stationnaires correspondant au moment cinétique j= 1 et formant une base {|+ 1i,|0i,|−1i} constituée des trois
vecteurs propres de ˆ
Jztels que ˆ
Jz|mi=~m|miavec m= 0,±1.
1. Donner la représentation matricielle dans la base de chaque terme du Hamiltonien. Quels sont les niveaux
d’énergie du système et pour quelle valeur du rapport a
by a-t-il dégénérescence du niveau fondamental ?
2. On considère le moment magnétique ~
Massocié au moment cinétique, et γle rapport gyromagnétique
correspondant. On applique un faible champ statique ~
Bdans la direction ~u(θ, φ)les deux angles du repère
sphérique. Exprimer en fonction des composantes de ~
Jet des angles (θ, φ)l’énergie d’interaction Wdu
moment magnétique avec ~
B. Ecrire la matrice représentant Wdans la base des trois états propres. On
donne l’expression des matrices ˆ
Jxet ˆ
Jy:
ˆ
Jx=~
√2
010
101
010
ˆ
Jy=~
√2
0−i0
i0−i
0i0
(4)
3. On suppose que b=aet que la direction de ~u est parallèle à Ox. Calculer les énergies et les états propres
de Wdans le sous-espace des deux états dégénérés.
Exercice 3 : Triple puits de potentiel
On considère une particule dans un triple de puits de potentiel. On désigne par |ii(i= 1,2ou 3) l’état de la
particule lorsqu’elle se trouve dans le puits numéro iet on suppose que hi|ji=δi,j .
On introduit dans le système un processus qui permet à la particule de passer d’un puits à l’autre par effet
tunnel avec une amplitude t > 0, ce qui conduit à l’Hamiltonien :
ˆ
H=t(|1ih2|+|2ih1|+|1ih3|+|3ih1|+|2ih3|+|3ih2|)(5)
1. Démontrer que l’opérateur de permutation ˆ
Pdéfini par ˆ
P|1i=|2i,ˆ
P|2i=|3iet ˆ
P|3i=|1icommute avec
l’Hamiltonien.
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