如果我们知道一个电子的波函数,就可以计算它的自旋测量结果。但如果只知道“这个电子与温度为 的环境达到热平衡”,通常就不能再用一个确定的波函数描述它。此时需要的是密度算符;选择哪一种密度算符,则取决于系统能与环境交换什么、我们掌握哪些宏观约束。

本文沿着“量子态 → 宏观约束 → 密度矩阵 → 可测量量”这条线展开。先建立密度矩阵的物理含义,再推导微正则、正则、巨正则三种系综,最后用磁场中的电子把公式算成具体矩阵和数值。所需基础是线性代数、量子力学中的态矢与算符,以及一点热力学。

三种系综的边界条件与可交换量

图 1:三种系综的区别来自约束。图中的 可理解为体积或几何约束;对局域自旋模型,几何自由度已经冻结。外磁场等外部参数也应指定。

1. 为什么量子统计需要密度矩阵?

1.1 两层概率:态的制备概率与量子测量概率

设实验装置以概率 制备归一化态 。每一次制备后,测量可观测量 的量子期望值是 。把制备的不确定性也平均进去:

$$ \langle A\rangle =\sum_i p_i\langle\psi_i|\hat A|\psi_i\rangle, \qquad p_i\geq0,\quad \sum_i p_i=1. $$

利用迹的恒等式,可以把所有与制备有关的信息收进一个算符:

$$ \boxed{\hat\rho=\sum_i p_i|\psi_i\rangle\langle\psi_i|}, \qquad \boxed{\langle A\rangle=\operatorname{Tr}(\hat\rho\hat A)}. $$

这里的态不必正交。同一个 也可能有不同的制备分解;只对这个系统进行测量,无法区分给出同一密度算符的不同分解。

更一般地,若一次测量结果 对应投影算符 ,则

$$ P(a)=\operatorname{Tr}(\hat\rho\hat\Pi_a). $$

因此,密度算符不是只用来计算热平均的辅助符号,而是决定系统所有测量统计的量子态描述。密度算符是与基底无关的对象;密度矩阵是选定基底后,它的矩阵表示。

1.2 什么矩阵才是合法的密度矩阵?

在任意正交归一基底中,合法密度矩阵满足

$$ \rho^\dagger=\rho,\qquad \rho\geq0,\qquad \operatorname{Tr}\rho=1. $$

三个条件分别保证:测量期望值为实数、所有测量概率非负、总概率为一。“正半定”指所有本征值非负,不要求每个矩阵元都为正。

若系统处于纯态,

$$ \rho=|\psi\rangle\langle\psi|, \qquad \rho^2=\rho,\qquad \operatorname{Tr}\rho^2=1. $$

混合态则满足 。在有限的 维空间中,纯度的范围是

$$ \frac1d\leq\operatorname{Tr}\rho^2\leq1. $$

下限由最大混合态 达到。von Neumann 熵定义为

$$ \boxed{S=-k_{\mathrm B}\operatorname{Tr}(\rho\ln\rho)} =-k_{\mathrm B}\sum_\alpha\lambda_\alpha\ln\lambda_\alpha, $$

其中 是 的本征值,约定 。纯态熵为零,最大混合态熵为 。一般不能把任意基底下的对角元直接代入最后一个求和式;需要先求本征值。

1.3 混合态不是“一个叠加了各种可能性的波函数”

在按 排列的 基底中,考虑

$$ |+x\rangle=\frac{|\uparrow\rangle+|\downarrow\rangle}{\sqrt2}. $$

它的密度矩阵,与上下自旋各半的混合态分别为

$$ \rho_{+x} =\frac12\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix}, \qquad \rho_{\mathrm{mix}} =\frac12\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}. $$

测量 时,两者都给出上下各半;但测量 时,前者必得 ,后者得到 的概率各半。前者保留了上下分量的相位关系,后者没有这种相干性。

相干叠加态、等概率混合态和热态的密度矩阵

图 2:矩阵元均在 基底中表示。前两幅图的对角元相同,非对角元不同;第三幅图是后文 、、 的电子自旋热态。

1.4 对环境取偏迹,也会得到混合态

即使系统与环境的总态是纯态,系统本身也可以是混合态。例如

$$ |\Psi\rangle_{AB} =\frac{|\uparrow\rangle_A|\downarrow\rangle_B+ |\downarrow\rangle_A|\uparrow\rangle_B}{\sqrt2}, $$

对 取偏迹后,

$$ \rho_A=\operatorname{Tr}_B|\Psi\rangle\langle\Psi|=\frac{I_2}{2}. $$

这说明混合态不一定意味着“系统实际处于某个纯态,只是我们不知道”。它也可能来自与环境的纠缠。MIT 的 Mixed States 课程讲义讨论了密度算符、部分迹和统计混合的关系;下文把这些工具用于具体的平衡系综。

2. 系综是什么?先确定系统边界,再选择概率分布

“系综”可以想象成大量按同一宏观条件制备的系统副本,它们的微观状态可以不同。这里的副本是统计描述,不是要求实验室真的摆放无穷多个系统。

系综 指定的宏观条件 与环境交换 允许涨落的量 归一化对象
微正则 能量壳 、 无 能量仅限于给定窄壳,粒子数固定 壳内态数
正则 能量 能量 配分函数
巨正则 能量和粒子 能量、粒子数 巨配分函数

这三个系综都属于平衡统计。知道系统与热库接触,并不意味着它从接触的第一瞬间就处于正则态;还需要足够的弛豫与相应平衡条件。

本文主要考虑弱耦合环境、固定外部参数和守恒粒子数的平衡模型。强系统—环境耦合时,约化态一般不能简单写成裸系统哈密顿量的 ;额外守恒量也可能需要额外的约束。三种常用系综的热力学基础可参照 David Tong 的统计物理第一章。

3. 微正则系综:在允许的能量壳内等权

3.1 能壳投影算符比“固定能量”更精确

设固定粒子数子空间中的能量本征方程是

$$ \hat H|n\rangle=E_n|n\rangle. $$

选一个很窄的能量区间 。对应的投影算符与态数为

$$ \hat P_{\mathcal I} =\sum_{E_n\in\mathcal I}|n\rangle\langle n|, \qquad W=\operatorname{Tr}\hat P_{\mathcal I}. $$

微正则密度算符为

$$ \boxed{\hat\rho_{\mathrm{mc}}=\frac{\hat P_{\mathcal I}}{W}}. $$

能壳内每个正交微观态的概率都是 ,壳外概率为零。因此

$$ \langle A\rangle_{\mathrm{mc}} =\frac1W\sum_{E_n\in\mathcal I}\langle n|\hat A|n\rangle, \qquad S_{\mathrm{mc}}=k_{\mathrm B}\ln W. $$

对于宏观体系, 可以在宏观尺度上很窄,同时包含极多微观能级。有限小系统则可能直接选一个简并能量本征空间;这时没有能壳宽度造成的能量不确定性。

等概率针对微观态,不是针对不同能量值。一个简并度为 的能级,在壳内的总概率为 。

3.2 为什么等权?这是约束下的最大熵选择

只知道系统支持在一个 维能壳中,并不知道它偏好哪个方向。对该子空间中的本征概率最大化

$$ -\sum_{\alpha=1}^{W}p_\alpha\ln p_\alpha, \qquad \sum_\alpha p_\alpha=1, $$

拉格朗日乘子法给出

$$ -(\ln p_\alpha+1)-\lambda=0 \quad\Longrightarrow\quad p_\alpha=\frac1W. $$

所有本征值都相等,便得到该子空间上的单位算符除以 。

这是一种平衡统计假设或最大熵推断,不是从孤立系统的薛定谔演化自动推出的结论。一个精确制备的孤立纯态在幺正演化下仍是纯态,不会凭空变成微正则混合态;热化通常讨论的是局域可观测量、约化态或粗粒化描述。

3.3 算例:两个电子自旋,总能量为零

考虑两个分别局域在不同位置、可以按位置标记的电子自旋,忽略它们的相互作用。设

$$ \hat H=a(\sigma_z^{(1)}+\sigma_z^{(2)}), \qquad a>0. $$

在基底 中,

$$ H=\operatorname{diag}(2a,0,0,-2a). $$

选定总能量 ,只有中间两个态允许:

$$ \rho_{\mathrm{mc}} =\frac12\left( |\uparrow\downarrow\rangle\langle\uparrow\downarrow| +|\downarrow\uparrow\rangle\langle\downarrow\uparrow| \right) =\begin{pmatrix} 0&0&0&0\\ 0&1/2&0&0\\ 0&0&1/2&0\\ 0&0&0&0 \end{pmatrix}. $$

两个自旋的能级、零能量壳与微正则矩阵

图 3:零能量本征空间的维数是 2,因此每个允许态的权重是 ,不是把三个不同能量值各赋予 。

于是

$$ \langle H\rangle=0,\quad \operatorname{Var}(H)=0,\quad S=k_{\mathrm B}\ln2. $$

对第二个自旋取偏迹,得到 。不过两个自旋不是相互独立的,因为

$$ \langle\sigma_z^{(1)}\rangle=\langle\sigma_z^{(2)}\rangle=0, \qquad \langle\sigma_z^{(1)}\sigma_z^{(2)}\rangle=-1. $$

这个微正则态有经典反关联,但不是纠缠态:它已经写成了两个乘积态的概率混合。前文的纠缠纯态也位于同一个零能量空间,且有相同的单自旋约化态,但它的联合测量统计与上述混合态不同。

4. 正则系综:与热库交换能量

4.1 从“大孤立系统”推导 Boltzmann 权重

让研究系统 与很大的热库 弱耦合,二者整体孤立。忽略相互作用能,若系统处于能量 的某个微观态,则热库能量为 。该系统态的概率正比于与之相容的热库态数:

$$ p_n\propto W_R(E_{\mathrm{tot}}-E_n) =\exp\!\left[\frac{S_R(E_{\mathrm{tot}}-E_n)}{k_{\mathrm B}}\right]. $$

热库足够大,展开它的熵:

$$ S_R(E_{\mathrm{tot}}-E_n) \simeq S_R(E_{\mathrm{tot}}) -E_n\left(\frac{\partial S_R}{\partial E_R}\right)_{V_R,N_R}. $$

利用热力学关系 ,定义 ,就有

$$ p_n\propto e^{-\beta E_n}. $$

归一化后:

$$ \boxed{\rho_{\mathrm{can}}=\frac{e^{-\beta\hat H}}{Z}}, \qquad \boxed{Z=\operatorname{Tr}_{N}e^{-\beta\hat H} =\sum_n e^{-\beta E_n}}. $$

这里的迹在固定粒子数 的物理 Hilbert 空间中取,求和包含简并度。若把相同能量合并为一个能级,必须写成 。

4.2 从最大熵原理再推导一次

现在约束不是“态只能位于某个能壳”,而是归一化与平均能量:

$$ \operatorname{Tr}\rho=1,\qquad \operatorname{Tr}(\rho H)=U. $$

最大化无量纲泛函

$$ \mathcal L=-\operatorname{Tr}(\rho\ln\rho) -\alpha(\operatorname{Tr}\rho-1) -\beta(\operatorname{Tr}\rho H-U). $$

利用 ,得到

$$ \ln\rho+I+\alpha I+\beta H=0. $$

因此 。归一化确定比例系数为 ,热力学对应关系再把乘子 识别为 。

这也说明微正则与正则约束并不一样:精确限制能量支持空间,比只限制平均能量更强。

4.3 “矩阵指数”不是把每个矩阵元分别取指数

若

$$ H=V\,\operatorname{diag}(E_1,\ldots,E_d)V^\dagger, $$

那么

$$ e^{-\beta H} =V\,\operatorname{diag}(e^{-\beta E_1},\ldots,e^{-\beta E_d})V^\dagger. $$

必须按算符函数计算。一般的逐元素指数会给出错误结果。例如对角矩阵的非对角元原本是零,矩阵指数后仍是零,而逐元素指数会把它们错误地变成 。

4.4 配分函数怎样给出热力学量?

由 直接求导:

$$ U=-\frac{\partial\ln Z}{\partial\beta}, \qquad F=-k_{\mathrm B}T\ln Z, \qquad S=k_{\mathrm B}(\ln Z+\beta U). $$

再求一次导数:

$$ \frac{\partial^2\ln Z}{\partial\beta^2} =\langle H^2\rangle-\langle H\rangle^2 =\operatorname{Var}(H). $$

当哈密顿量不显含温度、其他外部参数固定时,

$$ \boxed{\operatorname{Var}(H)=k_{\mathrm B}T^2 C}, \qquad C=\left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_{\text{外部参数}}. $$

正则系综固定的是温度,不是每次测量的能量。能量涨落正是热容的统计表现。

5. 巨正则系综:粒子数也可以改变

5.1 从热库熵的两个变量展开出发

系统可以与库交换粒子时,若它处于粒子数 、能量 的微观态,环境相应有 和 。

热力学微分给出

$$ \mathrm dS_R=\frac1T\mathrm dE_R +\frac{P_R}{T}\mathrm dV_R-\frac{\mu}{T}\mathrm dN_R. $$

在环境体积固定时,

$$ S_R(E_{\mathrm{tot}}-E_{N,r},N_{\mathrm{tot}}-N) \simeq S_R(E_{\mathrm{tot}},N_{\mathrm{tot}}) -\frac{E_{N,r}}{T}+\frac{\mu N}{T}. $$

因此

$$ p_{N,r}\propto e^{-\beta(E_{N,r}-\mu N)}. $$

对于 的通常粒子数守恒模型,

$$ \boxed{\rho_{\mathrm{gc}} =\frac{e^{-\beta(\hat H-\mu\hat N)}}{\Xi}}, \qquad \boxed{\Xi=\operatorname{Tr}_{\mathcal F} e^{-\beta(\hat H-\mu\hat N)}}. $$

化学势 的单位是能量,它控制添加粒子在统计上有多“有利”。增加 会相对提高大粒子数扇区的权重。它是热力学变量,不能简单等同于某个单粒子能级。

5.2 迹的空间扩大了:必须包含不同粒子数扇区

巨正则态定义在 Fock 空间

$$ \mathcal F=\mathcal H_0\oplus\mathcal H_1\oplus\mathcal H_2\oplus\cdots, $$

其中 已经包含相同粒子的 Bose 或 Fermi 对称性。设

$$ Z_N=\operatorname{Tr}_{\mathcal H_N}e^{-\beta H_N}, $$

则

$$ \Xi=\sum_{N=0}^{\infty}e^{\beta\mu N}Z_N, \qquad P(N)=\frac{e^{\beta\mu N}Z_N}{\Xi}. $$

整个态可以写成分块形式:

$$ \rho_{\mathrm{gc}} =\bigoplus_N P(N)\rho_{\mathrm{can},N}. $$

也就是说:先按 选粒子数,再在这个固定粒子数扇区中按正则分布取态。对一个始终只有一个电子的二能级自旋系统, 只是常数,归一化后会消掉;要看见真正的粒子数涨落,必须扩大状态空间。

5.3 热力学量与涨落

定义巨势 ,则

$$ \langle N\rangle =\frac1\beta\left(\frac{\partial\ln\Xi}{\partial\mu}\right)_{\beta,V}, \qquad U=-\left(\frac{\partial\ln\Xi}{\partial\beta}\right)_{\mu,V} +\mu\langle N\rangle. $$

这里不能漏掉最后的 :固定 对 求导,首先得到的是 。

相应地,

$$ S=k_{\mathrm B}\left[\ln\Xi+\beta(U-\mu\langle N\rangle)\right], $$
$$ \boxed{\operatorname{Var}(N) =k_{\mathrm B}T\left(\frac{\partial\langle N\rangle}{\partial\mu}\right)_{T,V}}. $$

在相同条件下 ,通常不等于单独的 。

5.4 Fermi–Dirac 分布从哪里出现?

考虑一个能量为 的独立费米模式。由于 Pauli 原理,模式占据数只能是 。它的巨配分函数为

$$ \Xi_\varepsilon=1+e^{-\beta(\varepsilon-\mu)}. $$

在 基底中,

$$ \rho_\varepsilon= \begin{pmatrix} 1-f(\varepsilon)&0\\ 0&f(\varepsilon) \end{pmatrix}, \qquad \boxed{f(\varepsilon)=\frac1{e^{\beta(\varepsilon-\mu)}+1}}. $$

这就是 Fermi–Dirac 分布。这里 是某个模式的平均占据数,不是“电子在所有轨道中出现的归一化单粒子概率”。

若是独立玻色模式,允许 ,则几何级数给出

$$ \Xi_\varepsilon=\frac1{1-e^{-\beta(\varepsilon-\mu)}}, \qquad \langle n\rangle=\frac1{e^{\beta(\varepsilon-\mu)}-1}, $$

要求 才使该单模式级数收敛。宏观凝聚极限需要单独处理基态。量子气体中独立模式分解的进一步讨论见 Tong 的量子气体章节。

6. 完整算例:磁场中的一个电子自旋

6.1 先把模型和符号说明白

考虑一个局域电子,空间轨道自由度被冻结,只研究自旋。忽略轨道磁效应、其他电子、核自旋以及自旋之间的相互作用,假设存在足以使自旋弛豫的弱环境耦合。

电子带负电,其磁矩与自旋方向相反。本文把 定义为正的自旋 因子大小:

$$ \hat{\boldsymbol\mu} =-g\mu_{\mathrm B}\frac{\hat{\boldsymbol S}}{\hbar} =-\frac{g\mu_{\mathrm B}}2\boldsymbol\sigma, \qquad \mu_{\mathrm B}=\frac{e\hbar}{2m_e}>0. $$

这里 表示正的元电荷大小,。所以 Zeeman 哈密顿量是

$$ \boxed{\hat H=-\hat{\boldsymbol\mu}\cdot\boldsymbol B =+\frac{g\mu_{\mathrm B}}2\boldsymbol B\cdot\boldsymbol\sigma}. $$

正号非常重要。有的文献把符号吸收到磁矩或带符号的 因子中;比较公式时应先比较定义。电子自旋的 Zeeman 能量与磁场、磁量子数的关系可参照 NIST 的 Zeeman 效应说明。

写成 ,其中 、,并定义

$$ a=\frac{g\mu_{\mathrm B}B}{2}, \qquad \Delta=2a=g\mu_{\mathrm B}B, \qquad x=\beta a=\frac{\Delta}{2k_{\mathrm B}T}. $$
是两能级间隔, 是半间隔, 是无量纲的磁场能与热能之比。后面的 是教学近似,不是在数值上使用自由电子 因子的全部精度。

6.2 磁场沿 z 轴:从哈密顿量逐步算到密度矩阵

取 ,按 排列基底:

$$ H=a\sigma_z =\begin{pmatrix}a&0\\0&-a\end{pmatrix}, \qquad E_\uparrow=+a,\quad E_\downarrow=-a. $$

因此电子的自旋沿场态是高能态,自旋逆场态是低能态;低能态的磁矩沿磁场。

第一步,对哈密顿量取指数:

$$ e^{-\beta H} =\begin{pmatrix}e^{-x}&0\\0&e^x\end{pmatrix}. $$

第二步,计算配分函数:

$$ Z=e^{-x}+e^x=2\cosh x. $$

第三步,归一化:

$$ \boxed{ \rho_z =\frac1{2\cosh x} \begin{pmatrix}e^{-x}&0\\0&e^x\end{pmatrix} =\frac12\begin{pmatrix} 1-\tanh x&0\\ 0&1+\tanh x \end{pmatrix}}. $$

由此读出

$$ p_\uparrow=\frac1{1+e^{2x}}, \qquad p_\downarrow=\frac1{1+e^{-2x}}, \qquad \frac{p_\uparrow}{p_\downarrow}=e^{-\beta\Delta}. $$

这个二能级占据概率在代数形式上与某个费米函数相似,但这里是固定一个电子在两个自旋态之间的条件概率,并没有允许电子数变成零或二。

电子塞曼能级和上下自旋热平衡概率

图 4:本图使用电子的磁矩符号。低能态是 ,能级间隔为 。横轴增大可以表示固定温度增加磁场,也可以表示固定磁场降低温度。

6.3 用迹直接计算能量、自旋和磁矩

先算自旋极化:

$$ \langle\sigma_z\rangle =\operatorname{Tr}(\rho_z\sigma_z) =p_\uparrow-p_\downarrow=-\tanh x. $$

于是

$$ \boxed{\langle S_z\rangle=-\frac{\hbar}{2}\tanh x}, \qquad \boxed{U=\langle H\rangle=-a\tanh x}. $$

电子磁矩与自旋反向,因此

$$ \boxed{\langle\mu_z\rangle =+\frac{g\mu_{\mathrm B}}2\tanh x}. $$

可以用自由能独立核对:

$$ F=-k_{\mathrm B}T\ln(2\cosh x), \qquad -\left(\frac{\partial F}{\partial B}\right)_T =\frac{g\mu_{\mathrm B}}2\tanh x. $$

若有 个独立、等价的局域电子自旋,则总磁矩为 。在这个忽略相互作用的模型中,总配分函数为 ,总密度算符为单自旋热态的张量积。

在弱场或高温 时,,所以

$$ \langle\mu_z\rangle \simeq\frac{(g\mu_{\mathrm B})^2}{4k_{\mathrm B}T}B. $$

这是局域独立自旋的 Curie 型响应。这里给出的是磁矩对 的响应;若要换成 SI 制下磁化强度对 的体磁化率,还要引入自旋数密度以及相应的 关系。

6.4 熵、纯度、能量涨落和热容

把两个本征概率代入熵:

$$ \boxed{\frac{S}{k_{\mathrm B}} =\ln(2\cosh x)-x\tanh x}. $$

纯度为

$$ \boxed{\operatorname{Tr}\rho_z^2 =p_\uparrow^2+p_\downarrow^2 =\frac{1+\tanh^2x}{2}}. $$

由于 ,

$$ \operatorname{Var}(H) =a^2-U^2 =a^2\operatorname{sech}^2x. $$

固定磁场求温度导数,得到

$$ \boxed{C_B=k_{\mathrm B}x^2\operatorname{sech}^2x}, \qquad \operatorname{sech}x=\frac1{\cosh x}. $$

也确实满足 。

电子自旋的磁矩、熵、纯度与热容曲线

图 5:所有曲线都来自同一个二能级热态。横轴是 ,不是温度本身;固定非零磁场时,向右对应降温。热容在两能级冻结和几乎等概率占据之间出现峰值,即二能级系统的 Schottky 峰。

几个极限值得逐项检查:

极限 密度矩阵 能量与熵 物理图像
固定 , 基态占据趋于一
固定 , 两态等概率
固定 , 能级简并,无优选方向

严格 时,模型的基态本身是二重简并的;正则态的零温极限仍是 。先取 再令 ,则保留磁场所选的纯态。两个极限的次序不同,结果可以不同。

6.5 任意方向的磁场:不必每次重新对角化

对单位向量 ,Pauli 矩阵满足

$$ (\boldsymbol n\cdot\boldsymbol\sigma)^2=I. $$

将指数级数按奇偶次幂拆开:

$$ \begin{aligned} e^{-x\boldsymbol n\cdot\boldsymbol\sigma} &=\sum_{m=0}^{\infty}\frac{x^{2m}}{(2m)!}I -\sum_{m=0}^{\infty}\frac{x^{2m+1}}{(2m+1)!} \boldsymbol n\cdot\boldsymbol\sigma\\ &=\cosh x\,I-\sinh x\,\boldsymbol n\cdot\boldsymbol\sigma. \end{aligned} $$

因此任意方向的正则态都是

$$ \boxed{\rho(\boldsymbol B) =\frac12\left[I-\tanh x\, \boldsymbol n\cdot\boldsymbol\sigma\right]}. $$

这也是 Bloch 向量形式 ,其中

$$ \boldsymbol r=-\tanh x\,\boldsymbol n. $$

Bloch 向量的长度从高温的零增加到零温的 1,方向与磁场相反。它描述自旋极化,不是电子磁矩方向。

令

$$ \boldsymbol n=(\sin\theta\cos\phi,\sin\theta\sin\phi,\cos\theta), \qquad t=\tanh x, $$

在同一个 基底中便有

$$ \boxed{ \rho=\frac12 \begin{pmatrix} 1-t\cos\theta&-t\sin\theta\,e^{-i\phi}\\ -t\sin\theta\,e^{i\phi}&1+t\cos\theta \end{pmatrix}}. $$

例如磁场沿 轴时,

$$ \rho_x=\frac12 \begin{pmatrix} 1&-\tanh x\\ -\tanh x&1 \end{pmatrix}. $$

它在 基底中有非对角元,但在 能量本征基底中是对角的,且仍满足 ,是定态。“有非对角元”是相对于所选基底而言;它既不等于纯态,也不必意味着系统尚未达到热平衡。

相应的矢量平均值为

$$ \langle\boldsymbol S\rangle =-\frac{\hbar}{2}\tanh x\,\boldsymbol n, \qquad \langle\boldsymbol\mu\rangle =+\frac{g\mu_{\mathrm B}}2\tanh x\,\boldsymbol n. $$

6.6 把数字代进去:1 T、1 K

取 、、,使用

$$ \mu_{\mathrm B}\simeq5.7883818\times10^{-5}\ \mathrm{eV/T}, \qquad k_{\mathrm B}\simeq8.6173333\times10^{-5}\ \mathrm{eV/K}. $$

常数单位与数值可查 NIST 基本物理常数数据库。这里保留的位数足以验证例题,不表示模型包含了电子反常磁矩修正。

此时

$$ a=5.7883818\times10^{-5}\ \mathrm{eV}, \quad \Delta=1.1576764\times10^{-4}\ \mathrm{eV}, \quad x=0.6717138. $$

所以

$$ \boxed{\rho_z\simeq \begin{pmatrix} 0.206947&0\\ 0&0.793053 \end{pmatrix}}, \qquad \boxed{\rho_x\simeq \begin{pmatrix} 0.500000&-0.293053\\ -0.293053&0.500000 \end{pmatrix}}. $$

两者本征值相同,区别是磁场方向与表示基底之间的关系。其热力学量为:

物理量 数值
平均能量
沿磁场的平均磁矩
沿磁场的平均自旋
熵
纯度
热容

如果仍取 ,但升至 ,则 ,低能态概率只有约 。这说明常温、特斯拉量级磁场下,独立电子自旋的热极化通常很小。

6.7 同一个单自旋的微正则态是什么?

若 且能壳只包含 ,则

$$ \rho_{\mathrm{mc}}=|\downarrow\rangle\langle\downarrow| =\begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix}. $$

若能壳只包含 ,得到相反的纯态;若人为选择包含两个能级的宽区间,则等权微正则描述给出 。最后一种选择对这个小系统并不是“相对能级间隔很窄”的能壳。

这也解释了为什么讲解微正则系综时,两个自旋的简并例子比单个非简并自旋更能体现“多个微观态共享同一能量”。

7. 让电子数可以改变:一个轨道的巨正则密度矩阵

7.1 建立最小但完整的可变粒子数模型

现在研究一个能与电子库交换粒子的空间轨道。该轨道有上下两个自旋模式,零场单粒子能量为 。外磁场沿 轴,仍用 。先忽略双占据的库仑代价:

$$ H=(\varepsilon_0+a)n_\uparrow +(\varepsilon_0-a)n_\downarrow, \qquad N=n_\uparrow+n_\downarrow. $$

这里 各为 0 或 1。由于是两个不同自旋模式,一个空间轨道可以容纳两个电子,不违背 Pauli 原理。

四个 Fock 基态是:

基态 粒子数 能量 未归一化权重
0 0 1
1
1
2

双占据态中的两个自旋磁矩抵消,所以其能量中没有净自旋 Zeeman 项。

7.2 写出巨配分函数和四维矩阵

把四个权重相加:

$$ \Xi=1+q_\uparrow+q_\downarrow+q_\uparrow q_\downarrow =(1+q_\uparrow)(1+q_\downarrow). $$

在表格给定的基底顺序中,

$$ \boxed{\rho_{\mathrm{gc}}=\frac1{\Xi} \begin{pmatrix} 1&0&0&0\\ 0&q_\uparrow&0&0\\ 0&0&q_\downarrow&0\\ 0&0&0&q_\uparrow q_\downarrow \end{pmatrix}}. $$

定义 、,同一个矩阵也可以写成

$$ \rho_{\mathrm{gc}}=\operatorname{diag}\!\left( (1-f_\uparrow)(1-f_\downarrow), f_\uparrow(1-f_\downarrow), (1-f_\uparrow)f_\downarrow, f_\uparrow f_\downarrow \right). $$

单轨道的四个Fock态与巨正则概率

图 6:横轴改变的是化学势与轨道中心的相对位置。化学势很低时空态占优,很高时双占据态占优;中间区域单占据态有明显权重。两幅图均使用无库仑相互作用模型。

7.3 平均粒子数、粒子数涨落和磁矩

直接用上面的四态概率求平均:

$$ \boxed{\langle N\rangle=f_\uparrow+f_\downarrow}, $$
$$ \boxed{\operatorname{Var}(N) =f_\uparrow(1-f_\uparrow) +f_\downarrow(1-f_\downarrow)}. $$

最后一个式子利用了无相互作用时两个模式的统计独立性。

能量和磁矩分别为

$$ U=(\varepsilon_0+a)f_\uparrow +(\varepsilon_0-a)f_\downarrow, $$
$$ \boxed{\langle\mu_z\rangle =\frac{g\mu_{\mathrm B}}2(f_\downarrow-f_\uparrow)}. $$

若需要熵,可利用模式独立性相加:

$$ S=-k_{\mathrm B}\sum_{\sigma=\uparrow,\downarrow} \left[f_\sigma\ln f_\sigma +(1-f_\sigma)\ln(1-f_\sigma)\right]. $$

注意 是这个模型的单粒子关联矩阵,其迹为 。它一般不是归一化为一的完整密度矩阵;完整多体密度矩阵是前面的 矩阵。

7.4 一个关键对比:平均一个电子,不等于固定一个电子

仍取 、、,并令 。此时

$$ q_\uparrow=e^{-x},\quad q_\downarrow=e^x,\quad q_\uparrow q_\downarrow=1. $$

计算得到

$$ \boxed{\rho_{\mathrm{gc}}\simeq \operatorname{diag}(0.223793,\ 0.114321,\ 0.438094,\ 0.223793)}. $$

其粒子数分布是

$$ P(N=0)=0.223793,\quad P(N=1)=0.552415,\quad P(N=2)=0.223793. $$

于是

$$ \langle N\rangle=1, \qquad \operatorname{Var}(N)=0.447585. $$

平均数虽然恰好是一,单次测量却可能看到零、一或两个电子。它与第 6 节固定一个电子的正则态明显不同。

若在此巨正则态中条件选取 ,投影并重新归一化:

$$ \rho_{N=1} =\frac{\Pi_1\rho_{\mathrm{gc}}\Pi_1} {\operatorname{Tr}(\Pi_1\rho_{\mathrm{gc}})} \ \longrightarrow\ \frac1{q_\uparrow+q_\downarrow} \begin{pmatrix}q_\uparrow&0\\0&q_\downarrow\end{pmatrix}. $$

右侧仅表示保留下来的二维单粒子子空间。约去共同因子 ,得到

$$ \rho_{N=1} =\frac1{2\cosh x} \begin{pmatrix}e^{-x}&0\\0&e^x\end{pmatrix} =\rho_z. $$

巨正则系综在固定粒子数条件下,恢复对应的正则系综。“只令平均粒子数为一”并没有进行这个条件选择。

7.5 如果双占据要付出库仑能量

在量子点等系统中,双占据通常需要额外能量 。加入 后,第四个权重变为

$$ q_\uparrow q_\downarrow e^{-\beta U_C}, $$

从而

$$ \Xi=1+q_\uparrow+q_\downarrow+ q_\uparrow q_\downarrow e^{-\beta U_C}. $$

四态枚举仍然适用,但 不再简单因式分解,两个模式也不再统计独立。前面的独立 Fermi 函数公式需要相应修改。

8. 怎样实际计算一个系统的密度矩阵?

可以按下面的顺序做:

  1. 定义系统与模型。写清有哪些自由度,外部参数是什么,是否允许能量与粒子交换。
  2. 选基底并写出 。固定粒子数时使用该扇区;可变粒子数时包含所需的 Fock 态。存在粒子数算符时也写出 。
  3. 按约束选权重。微正则用能壳投影,正则用 ,巨正则用 。
  4. 用迹归一化。不要漏简并度,也不要在错误的状态空间取迹。
  5. 检查合法性。验证厄米性、正半定性与单位迹。
  6. 计算目标量。概率用投影算符,平均值用 ,熵用密度矩阵本征值。
  7. 检查极限和单位。例如零场、高温、低温以及空轨道极限。

对于小矩阵,下面的 Python 写法足以稳定计算热态。为避免低温下指数溢出,先从所有能量中减去最低本征值;这个共同能量平移会在归一化中抵消。

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import numpy as np

def thermal_density(K, beta):
# 正则:K = H;巨正则:K = H - mu * N
K = np.asarray(K, dtype=complex)
if not np.allclose(K, K.conj().T):
raise ValueError("K 必须是厄米矩阵")
if beta < 0:
raise ValueError("本例实现限定正温度或无限温度")
energy, vectors = np.linalg.eigh(K)
weight = np.exp(-beta * (energy - energy.min()))
probability = weight / weight.sum()
return (vectors * probability) @ vectors.conj().T

# B = 1 T, T = 1 K, g = 2;能量单位统一使用 eV
kB = 8.617333262145e-5 # eV/K
muB = 5.7883817982e-5 # eV/T
a = muB * 1.0
beta = 1.0 / (kB * 1.0)
H = np.diag([a, -a])
rho = thermal_density(H, beta)
print(rho)
print("trace =", np.trace(rho))
print("energy / eV =", np.trace(rho @ H).real)

# 单轨道巨正则模型:epsilon0 = mu = 0
H_fock = np.diag([0.0, a, -a, 0.0])
N_fock = np.diag([0.0, 1.0, 1.0, 2.0])
rho_gc = thermal_density(H_fock - 0.0 * N_fock, beta)
print(rho_gc)

微正则态可以通过筛选 的能壳本征向量来构造投影:

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def microcanonical_density(H, E_low, E_high):
energy, vectors = np.linalg.eigh(H)
keep = (energy >= E_low) & (energy <= E_high)
if not np.any(keep):
raise ValueError("所选能壳中没有本征态")
V = vectors[:, keep]
return (V @ V.conj().T) / keep.sum()

有限精度数值计算中,应根据能量尺度为能壳边界留合理容差。对大规模多体体系,完整矩阵维数随自由度迅速增长,往往需要利用对称性、张量网络或统计采样;本文的显式矩阵方法适用于小系统教学与核验。

9. 三个系综什么时候等价?什么时候不能混用?

在适当的热力学极限、短程相互作用和稳定相区中,粒子数、能量等广延量的相对涨落通常按 缩小,三种系综对许多局域量和热力学密度给出相同结果。这是“系综等价”的常用含义。

但它不意味着:

  • 三个密度算符在有限系统中相等;
  • 微正则和正则的能量涨落一样;
  • 平均粒子数相同就能把巨正则矩阵当作固定粒子数矩阵;
  • 长程相互作用、相变附近或特殊约束下仍可不加检查地互换。

本文的单轨道例子就是最小的反例:正则与巨正则都可以有平均一个电子,但只有后者具有非零粒子数涨落。

还有几个常见误区:

容易误解的说法 应如何理解
量子系综就是一个很多态的叠加 系综权重形成密度算符;相干叠加则保留振幅相位
热态一定是对角矩阵 它在能量本征基底中可取对角,在其他基底中可以有非对角元
熵就是任意基底对角元的 Shannon 熵 von Neumann 熵要用 的本征值
孤立系统会自动变成微正则混合态 幺正演化保持总态纯度;热化还涉及局域、粗粒化与统计条件
每个能量值都等概率 微正则等权对象是能壳内正交微观态,必须计入简并
电子自旋沿场一定能量低 电子磁矩与自旋反向;在本文符号下,自旋逆场才是低能态
Boltzmann 权重只适用于经典粒子 量子正则态同样使用它;量子统计体现在允许的多体状态空间
单电子自旋模型就是金属中的电子气 金属还涉及轨道、Fermi 海和 Pauli 顺磁等,不能直接套独立局域自旋的 Curie 响应

10. 把公式连成一条计算链

三种平衡系综的核心可以并排写成

$$ \rho_{\mathrm{mc}}=\frac{P_{\mathcal I}}{W}, \qquad \rho_{\mathrm{can}}=\frac{e^{-\beta H}}{Z}, \qquad \rho_{\mathrm{gc}}=\frac{e^{-\beta(H-\mu N)}}{\Xi}. $$

它们回答的是同一个问题:在给定的宏观约束下,应怎样给允许的量子态分配统计权重?

有了密度矩阵,下一步始终是

$$ P(a)=\operatorname{Tr}(\rho\Pi_a),\qquad \langle A\rangle=\operatorname{Tr}(\rho A),\qquad S=-k_{\mathrm B}\operatorname{Tr}(\rho\ln\rho). $$

磁场中的电子自旋使这条链完整落地:从 得到热态的两个占据概率,进而得到能量、磁矩、熵、纯度、涨落和热容。允许轨道与粒子库交换电子后,状态空间从二维扩大到四维;正是这个空间的变化,让巨正则系综具有了新的物理内容。

配图、计算与参考资料

本文六幅图均由公式与明确模型直接绘制,不使用实验测量数据。图 1 是边界条件示意,图 2—6 的矩阵、能级和曲线与正文公式对应。

  • 下载配图与独立数值核验脚本:依赖 NumPy、SciPy、Matplotlib;在本项目内运行可重新生成 PNG、SVG 与核验记录。
  • 查看本次数值核验结果:包括任意磁场方向的矩阵指数对照、密度矩阵合法性、四态枚举与 Fermi 占据的对照、固定粒子数条件化、部分迹与热力学导数核对。

进一步阅读:

  1. MIT 22.51,Chapter 7: Mixed States:密度算符、纯态与混合态、部分迹、统计系综。
  2. David Tong,Statistical Physics,第一章:微正则、正则与巨正则系综及热力学联系。
  3. David Tong,Statistical Physics,第三章:量子气体、费米和玻色占据,以及电子气的磁响应。
  4. NIST,Atomic Spectroscopy: Zeeman Effect:磁场中的能级分裂与符号约定背景。
  5. NIST,Fundamental Physical Constants:玻尔磁子、玻尔兹曼常数等数值。