Solusi Persamaan Schrӧdinger Bergantung Waktu Menggunakan Metode Finite Difference Time Domain Quantum (FDTD-Q) Williana1, Bansawang BJ2, Eko Juarlin3 1,2,3 Program Studi Fisika Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Hasanuddin Email : [email protected] Abstrak Perluasan teknik Finite Difference Time Domain (FDTD) diterapkan untuk menyelesaikan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 1 dimensi, 2 dimensi untuk partikel bebas dan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 1 dimensi untuk potensial Coulomb. Teknik FDTD numerik yang menyelesaikan persamaan Schrӧdinger disebut FDTD-Q. Analisis sistematis dari stabilitas dari teknik ini untuk menyelesaikan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu untuk partikel bebas dilakukan dalam penelitian ini. Program numerik stabil selama , program tidak stabil ketika . Kata kunci : Persamaan Schrӧdinger Bergantung Waktu, FDTD-Q, Stabilitas. PENDAHULUAN Persamaan Schrӧdinger dalam keadaan tertentu sangat sulit diselesaikan secara analitik, sehingga dalam beberapa keadaan solusi diperoleh dengan melakukan menggunakan metode WKB atau teori pertubasi. Oleh karena kebanyakan keadaan sistem fisik di alam terlalu rumit untuk diselesaikan secara analitik sehingga diharapkan bantuan komputer untuk mencari solusi beberapa sistem fisis dalam kuantum (J. R. Nagel, 2007). Salah satu metode yang umum digunakan untuk menyelesaikan persamaan differensial parsial (PDP) bergantung waktu secara numerik adalah Finite difference time domain (FDTD). Ide dasar dari FDTD adalah mendiskritisasi persamaan differensial parsial dalam ruang dan waktu kemudian dilakukan pendekatan derivatif dengan menggunakan beda hingga. Kelebihan FDTD adalah kesederhanaan pengerjaan dan secara bertahap variabel waktu meningkat dalam langkah-langkah diskrit (J. R. Nagel, 2007). Metode FDTD yang digunakan dalam elektromagnetik diperluas kegunaanya dalam kuantum. Aplikasi teknik FDTD untuk menganalisis piranti kuantum (FDTD-Q) didasarkan pada FDTD untuk elektromagnetik, dan perluasan metode ini digunakan untuk menyelesaikan persamaan Schrӧdinger (J. Nouguier ,1983). Dengan cara yang sama, FDTD-Q menyelesaikan persamaan Schrӧdinger yang terdiskritisasi dalam proses yang berulang. Teknik FDTD-Q telah digunakan untuk menyelesaikan masalah titik kuantum (QD) (Sullivan, D.M. and D. S. Citrin, 2002) dan (Sullivan, D.M. and D. S. Citrin, 2001). Namun beberapa aspek dari FDTD-Q, konvergensi dan stabilitas skema numerik belum dieksplorasi sampai sekarang. Dengan demikian dalam penelitian ini akan dilakukan pengkajian terhadap penyelesaian persamaan Schrӧdinger dalam 1 dan 2 dimensi dengan metode FDTD dan pengujian kestabilan program. PERSAMAAN SCHRӦDINGER Schrӧdinger menyatakan bahwa perilaku elektron, termasuk tingkat-tingkat energi elektron yang diskrit dalam atom, memenuhi suatu persamaan diferensial untuk gelombang yang kemudian dikenal sebagai persamaan Schrӧdinger. Persamaan Schrӧdinger dalam mekanika kuantum memiliki peran yang sama dengan Hukum Newton dalam mekanika klasik. Hukum II Newton adalah persamaan diferensial yang menjelaskan bagaimana partikel klasik bergerak, sedangkan persamaan Schrӧdinger adalah persamaan diferensial parsial yang menjelaskan bagaimana fungsi gelombang mewakili pasang surut dan pergerakan partikel kuantum (A. C. Phillips, 2003). Untuk setiap besaran konstan dan dapat diamati dalam fisika ( ), seperti momentum linear, energi, massa, atau momentum angular, sesuai dengan sebuah operator ( ) yang bersesuaian dengan suatu nilai ( ) yang merupakan nilai eigen dari . Hal tersebut sesuai dengan persamaan: (1) Operator untuk momentum linear: (2.a) Untuk partikel yang bergerak sepanjang sumbu , akan diperoleh: (2.b) Persamaan nilai eigen dari operator ini adalah: (2.c) Suatu partikel memiliki energi total yang terdiri dari energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial merupakan fungsi (dengan referensi koordinat tertentu) yang biasa ditulis , sedangkan energi kinetik dinyatakan dalam momentum adalah dengan adalah massa elektron dan adalah momentumnya, dengan menggunakan operator momentum pada persamaan (2.b), maka Hamiltonian sistem yang merupakan operatot energi dapat dituliskan: (3) Persamaan nilai eigen untuk operator adalah: (4) Dengan operator energi yang bersesuaian: (5) Sehingga untuk persamaan (4) dengan mensubstitusi operator dan nilai eigen untuk diperoleh persamaan Schrӧdinder bergantung waktu 1 dimensi: (6) TEKNIK FDTD-Q Langkah awal dari teknik FDTD-Q untuk mendapatkan solusi numerik dari persamaan Schrӧdinger bergantung waktu adalah memisahkan fungsi gelombang kompleks menjadi dua fungsi yaitu bagian real dan bagian imajiner seperti berikut: (7) dan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu dimensi dua: (8) Dengan memasukkan persamaan (7) ke dalam persamaan (8) dan memisahkan bagian real untuk dan bagian imajiner untuk , maka diperoleh: (9.a) Gambar. 1 Revisi diskritisasi FDTD dengan penempatan berselang Gambar. 1 menunjukkan diskritisisasi Δx dalam ruang dan Δt dalam waktu dengan menempatkan bagian real berselang dengan bagian imajiner . Tanda titik hitam mewakili bagian real sedangkan tanda silang X mewakili bagian imaginer . Titik-titik diskritisasi tersebut kemudian didefinisikan sebagai dan dimana dan adalah bilangan bulat yang dibatasi oleh , dan (10) Orde kedua dalam persamaan (9.a) dan (9.b), didiskritisasi menggunakan diferensial berpusat. Karena itu perhitungan dari persamaan (9.a) dan persamaan (9.b) pada posisi melibatkan poin , , , dan . Sebagai contoh, untuk memperbaharui bagian real dari fungsi gelombang pada titik diskrit ; pada saat , diperlukan bagian imaginer dari fungsi gelombang pada titik-titik , , , , dan pada saat . Evaluasi melibatkan bagian real dan imaginer dari fungsi gelombang pada setiap titik. Orde kedua dihitung pada setiap titik ruang diskrit, kemudian pada skema numerik bagian real dan bagian imaginer dari fungsi gelombang berada pada titik diskritisasi yang sama. Sel unit dalam FDTD-Q ditunjukkan dalam gambar. 2 (Soriano et al., 2004). (9.b) Karena komputer memiliki kapasitas penyimpanan yang terbatas, langkah selanjutnya untuk menerapkan FDTD-Q adalah melakukan diskritisasi yang mana merupakan satu set titik-titik diskritisasi dalam ruang dan waktu yang akan menyederhanakan fungsi (Nagel, J. R., 2010). Gambar. 2 Sel FDTD-Q Setelah operator differensial diganti dengan operator diskrit menggunakan diferensial berpusat, diperoleh sebagai fungsi dari dan . Nilai Eigen Temporal Nilai eigen temporal λ pada persamaan Scrhӧdinger dianalisis dari sisi kiri persamaan (8) (12) Dimana kedua bagian real dan imajiner dari fungsi Ψ dianggap. Melalui operator diskrit yang setara, diferensiasi numerik didapatkan: (13) Faktor penambahan q menentukan perubahan fungsi gelombang pada setiap iterasi (14) (11.a) dan untuk bagian imaginer: Akan diperoleh persamaan untuk faktor penambahan (15) (11.b) Persamaan (11.a) dan (11.b) diselesaikan melalui proses berulang, dengan memerlukan kondisi batas, dimana waktu meningkat sebesar Δt dalam iterasi numerik. STABILITAS Diskritisasi waktu Δt adalah interval waktu antara daerah perhitungan yang berurutan dalam pendekatan numerik yang dijelaskan dalam persamaan (11.a). Pemilihan Δt sangat penting dalam simulasi FDTD-Q. Kerumitan program berkurang seiring dengan meningkatnya Δt, di sisi lain pertambahan waktu yang lebih panjang akan menyebabkan simulasi kurang stabil. Pertambahan waktu harus dipilih sebagai keseimbangan antara kerumitan komputasi dan kestabilan. Menetapkan pertambahan waktu maksimum diperlukan untuk menjaga kestabilan simulasi. Untuk mengujian kelayakan stabilitas analitik numerik, beda hingga dipisahkan menjadi dua nilai eigen, nilai eigen spasial dan nilai eigen temporal. Nilai-nilai eigen yang berhubungan dengan dife/rensial spasial dan nilai-nilai eigen yang berhubungan dengan operator waktu akan dihitung. Jika nilai eigen spasial menyertakan nilai eigen temporal, maka algoritma numerik dikatakan stabil (E. A. Navarro,1992). Dengan cara ini, stabilitas numerik dijamin dengan menghindari perubahan tak terkendali dari kesalahan numerik pada setiap iterasi. Ketidakstabilan muncul ketika fungsi eigen terkait dengan λ nilai eigen bertambah pada setiap iterasi. Stabilitas temporal bergantung pada setiap mode spasial yang diasumsikan dengan kondisi . Hal ini diverifikasi jika: a. Im(λ)=0 kondisi ini menetapkan bahwa semua nilai eigen harus nyata. Jika diasumsikan bahwa Hamiltonian adalah operator hermitian, itu akan selalu benar karena semua nilai eigen yang berhubungan dengan operator hermitian adalah nyata. b. Re(λ) . Kondisi stabil berasal dari hubungan ini, melibatkan diskritisasi sapasial dan temporal. Nilai Eigen Spasial Proses untuk nilai eigen temporal, diulang lagi untuk nilai eigen spasial. Sisi kanan persamaan (8) dianalisis sebagai nilai eigen spasial (16) Dengan solusi umum: = (17) Solusi numerik memerlukan kedua nilai eigen, baik temporal maupun spasial, dimana bagian spasial dan temporal dari persamaan Schrӧdinger adalah sama. Untuk memperoleh , diperoleh hubungan berikut: (18) 0.07 0.06 0.06 0.05 0.05 0.04 0.03 0.03 0.025 Probabilitas 0.02 0.015 0.04 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01 0 Satuan yang digunakan untuk besaran panjang adalah meter, massa adalah kg, waktu adalah detik, energi adalah eV . Beberapa tetapan yang digunakan antara lain massa elektron , tetapan Plank . Solusi persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 1 dimensi secara numerik menggunakan metode FDTD-Q dengan mengambil sebagai batas kiri dan sebagai batas kanan yang dibagi dalam 80 segmen, jumlah segmen sebanyak 50, jumlah iterasi sebanyak 2000 dan dengan penambahan waktu sebesar pada tiap kali iterasi waktu dimana besar dihitung menggunakan persamaan (19) untuk partikel bebas diperoleh grafik probabilitas terhadap posisi seperti pada gambar. 3. Probabilitas Probabilitas Dengan Δt sebagai fungsi dari diskritisasi spasial dan konstanta yang tersisa, nilai maksimum dari yang menjamin kestabilan algoritma program[7]: (19) 0.07 0 200 400 600 800 1000 1200 Iterasi t 1400 1600 1800 0 2000 0 400 600 800 1000 1200 Iterasi t 1400 1600 1800 2000 (a) (b) Gambar. 4 Grafik probabilitas pada titik sembarang selama dua ribu iterasi pertama (a) dengan (b) dengan Gambar. 4 menampilkan dua grafik probabilitas terhadap iterasi t dengan yang berbeda. Gambar. 4(a) dengan dan gambar. 5(b) dengan program stabil karena memiliki nilai hingga iterasi ke-2000. Program masih stabil sampai . Pada awal grafik terdapat garis horizontal yang terjadi karena pada awal iterasi t nilai fungsi gelombang imaginer belum terhitung pada semua titik diskritisasi. Semakin kecil maka semakin banyak jumlah iterasi waktu yang dibutuhkan untuk menghitung seluruh titik dikritisasi untuk . Selain itu jumlah segmen juga mempengaruhi panjang garis horizontal, semakin banyak segmen maka semakin banyak iterasi waktu dibutuhkan untuk menghitung seluruh titik diskritisasi untuk . Perulangan grafik semakin cepat ketika semakin besar. 307 307 x 10 x 10 10 0.01 0.005 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 X 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -8 x 10 Probabilitas 10 Probabilitas 0 -1 200 5 5 Gambar. 3 Grafik probabilitas terhadap posisi pada iterasi t ke430 Grafik probabilitas terhadap posisi pada gambar 3 merupakan grafik probabilitas untuk semua tingkat energi. Grafik yang dihasilkan oleh program numerik ini merupakan grafik simetris hal ini disebabkan oleh proses numerik dilakukan dengan pola leap frog di mana pola leap frog yang dipilih menghasilkan grafik yang simetri, serta potensial dan lebar sumur bersifat simetri sehingga menghasilkan grafik probabilitas terhadap posisi yang simetri. Stabilitas program dilihat dari grafik probabilitas terhadap iterasi waktu pada titik sembarang dengan jumlah segmen sebanyak 80, dengan jumlah iterasi sebanyak 2000 untuk dan untuk digambarkan pada Gambar . 4. 0 0 200 400 600 800 1000 1200 iterasi t 1400 (a) 1600 1800 2000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 iterasi t 1400 1600 1800 2000 (b) Gambar. 5 Grafik probabilitas pada titik sembarang selama dua ribu iterasi pertama (a) dengan (b) dengan Gambar. 5 menampilkan dua grafik probabilitas terhadap iterasi t dengan yang berbeda. Gambar. 5(a) dengan dan Gambar. 5(b) dengan program tidak stabil karena grafik menyimpang, probabilitas memiliki nilai sangat besar (tak berhingga). Untuk grafik mulai menyimpang pada sekitar iterasi ke-1800, sedangkan untuk grafik mulai menyimpang pada sekitar iterasi ke-1300. Program tidak stabil ketika , semakin besar maka grafik lebih cepat menyimpang (tak berhingga). Sesuai dengan persamaan (11.a) dan persamaan (11.b), berbanding lurus dengan fungsi gelombang dan dimana yang besar akan menyebabkan dan semakin besar pada iterasi berikutnya dengan syarat pada persamaan (19) untuk menjaga kestabilan program karena jika dihasilkan dan yang sangat besar yang menyebabkan nilai probailitas tak berhingga. Setelah menyelesaikan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 1 dimensi untuk partikel bebas, program numerik dikembangkan untuk menyelesaikan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 1 dimensi untuk elektron yang berada di antara dua inti atom (Potensial Coulomb). Nilai potensial pada program diganti, dalam kasus ini terdapat dua inti atom yang memiliki nilai potensial, yaitu inti atom yang terletak di kiri dan inti atom yang terletak di kanan. Bentuk grafik probabilitas terhadap posisi bergantung pada nilai kedua potensial tersebut. 20 19 4.5 x 10 2.5 x 10 4 2 3.5 3 Potensial Potensial 1.5 2.5 2 1 1.5 1 menghasilkan grafik probabilitas simetri. Gambar. 7(b) dengan nilai untuk inti atom di kiri dan nilai untuk inti atom di kanan menghasilkan grafik probabilitas asimetri. Jika potensial inti atom di kiri dan potensial inti atom di kanan memiliki nilai yang sama, grafik probabilitas terhadap posisi yang dihasilkan adalah simetri, sedangkan jika kedua nilai potensial kedua inti atom tersebut memiliki nilai yang berbeda, grafik potensial terhadap posisi yang dihasilkan adalah asimetri. Teknik FDTD-Q dikembangkan untuk menyelesaikan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 2 dimensi untuk partikel bebas. Beberapa nilai variabel yang digunakan dalam simulasi numerik ini antara lain sebagai batas awal sumbu x, sebagai batas akhir sumbu x, sebagai batas awal sumbu z, sebagai batas akhir sumbu z, yang masing-masing dibagi dalam 80 segmen, jumlah iterasi adalah sebanyak 1000 dan penambahan waktu sebesar 0,2Δtmax pada tiap kali iterasi waktu dimana besar Δtmax dihitung menggunakan persamaan (19), diperoleh grafik probabilitas terhadap posisi. 0.5 0.5 0 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 X 0.2 0.4 0.6 0.8 0 -1 1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 X -8 x 10 (a) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -8 x 10 (b) Gambar. 6 Grafik potensial terhadap posisi dengan (a) nilai k dari kedua inti atom sama, (b) nilai k dari kedua inti atom tidak sama Gambar. 6 menunjukkan grafik potensial simetri dan asimetri, Gambar. 6(a) dengan nilai untuk inti atom di kiri dan di kanan menghasilkan grafik potensial simetri, Gambar. 6(b) dengan nilai untuk inti atom di kiri dan nilai untuk inti atom di kanan menghasilkan grafik potensial asimetri. Dengan mengambil sebagai batas kiri dan sebagai batas kanan yang dibagi dalam 80 segmen, jumlah iterasi sebanyak 1000, dengan penambahan waktu sebesar 0,2Δtmax pada tiap kali iterasi, diperoleh grafik probabilitas terhadap posisi: 0.08 0.09 0.07 0.08 0.07 0.06 0.06 Probabilitas 0.04 0.05 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.05 0.05 0.04 0.04 0.03 0.03 0.01 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 X (a) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -8 x 10 0 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 X 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -8 x 10 (b) Gambar . 7 Grafik probabilitas terhadap posisi dengan (a) nilai k dari kedua inti atom sama, (b) nilai k dari kedua inti atom tidak sama Gambar. 7 menunjukkan grafik probabilitas simetri dan asimetri. Gambar. 7(a) dengan nilai untuk inti atom di kiri dan di kanan Probabilitas 0 -1 Gambar. 8 memperlihatkan tampilan grafik probabilitas tampak dari atas. Tampilan dari atas diperlukan untuk memperlihatkan keseluruhan grafik. Grafik bersifat simetri karena selain menggunakan pola leap frog dalam proses numerik yang menghasilkan grafik simetris, sistem kuantum memiliki nilai potensial dan lebar sumur yang simetri sehingga menghasilkan grafik probabilitas terhadap posisi yang simetri. Probabilitas Probabilitas 0.05 Gambar.8 Grafik kontur probabilitas terhadap posisi pada iterasi ke-430 tampak dari atas 0.02 0.01 0.02 0.01 0 0 -0.01 -0.01 0 1000 2000 3000 4000 5000 Iterasi t 6000 7000 8000 9000 10000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Iterasi t 6000 7000 8000 9000 10000 (a) (b) Gambar. 9 Nilai probabilitas hingga iterasi ke-10000 pada titik sembarang (a) dengan dan (b) dengan Gambar. 9 menampilkan kestasbilan program yang dapat diamati selama . Grafik diperoleh dengan jumlah segmen masing-masing untuk sumbu x dan sumbu z adalah 20. Gambar. 9(a) dengan dan Gambar. 9(b) dengan program stabil karena memiliki nilai probabilitas hingga iterasi ke-10000. Pada grafik tampak perulangan yang terjadi dimana perulangan semakin cepat jika semakin besar. Pola perulangan grafik ini sesuai dengan grafik yang ditampilkan pada penelitian sebelumnya (Soriano et al., 2004). 307 307 16.1488 x 10 x 10 Probabilitas Probabilitas 10 8.0744 0 0 200 400 600 800 1000 1200 iterasi t 1400 1600 1800 2000 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 iterasi t 1400 1600 1800 persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 2 dimensi untuk partikel bebas. Program numerik untuk menyelesaikan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 1 dimensi dengan metode FDTD-Q untuk potensial Coulomb menghasilkan grafik probabilitas terhadap posisi yang simetri jika nilai potensial kedua initi atom sama dan asimetri jika nilai potensial kedua inti atom berbeda. Program numerik untuk menyelesaikan persmaan Schrӧdinger bergantung waktu 1 dan 2 dimensi dengan metode FDTD-Q untuk partikel bebas menghasilkan grafik kontur probabilitas terhadap posisi yang simetri karena dalam proses numerik digunakan pola leap frog yang menghasilkan grafik simetris. Telah dianalisis kestabilan program numerik dengan syarat kestabilan Courant dimana program stabil ketika , dan ketika program tidak stabil. 2000 (b) Gambar. 10 Nilai probabilitas hingga iterasi ke-2000 pada titik sembarang (a) dengan (b) dengan Gambar. 10 menampilkan dua grafik probabilitas terhadap iterasi t dengan yang berbeda dengan jumlah segmen 40 untuk masingmasing sumbu x dan sumbu z. Gambar. 10(a) dengan dan Gambar. 10(b) dengan program tidak stabil karena grafik menyimpang, probabilitas memiliki nilai sangat besar (tak berhingga). Untuk grafik mulai menyimpang pada sekitar iterasi ke1300, sedangkan untuk grafik mulai menyimpang pada sekitar iterasi ke-900. Program tidak stabil ketika , semakin besar maka grafik lebih cepat menyimpang (blow up). Sesuai dengan persamaan (11.a) dan persamaan (11.b), berbanding lurus dengan fungsi gelombang dan dimana yang besar akan menyebabkan dan semakin besar pada iterasi berikutnya dengan syarat pada persamaan (19) untuk menjaga kestabilan program karena jika dihasilkan dan yang sangat besar yang menyebabkan nilai probailitas tak berhingga. KESIMPULAN Metode FDTD-Q dapat menyelesaikan persamaan Schrӧdinger bergantung waktu 1 dimensi untuk partikel bebas dan potensial Coulomb dan DAFTAR PUSTAKA A. C. Phillips, 2003, Introduction to Quantum Mecanics, England: Departement of Physics and Astronomy Universitas of Manchester. E. A. Navarro, 1992, PhD thesis, Universidad de Valecia. J. Nouguier, 1983. metodos de calcul Numerique, Paris. J. R. Nagel, 2007, The One-Dimensional FiniteDifference Time-Domain (FDTD) Algorithm Applied to the Schrӧdinger Equation, Salt Lake City: Utah. Nagel, J. R. , 2010, The Finite-Difference TimeDomain (FDTD) Algorithm. Salt Lake City: Utah. Soriano Antonio, Enrique A. Navarro, Jorge A. Porti, Vicente Such, 2004, ”Analysis Of The Time Difference Time Domain Technique To Solve The Schrodinger Equation For Quantum Devices,” Journal Of Applied Physics, 95.12:8011-8018. Sullivan, D.M. and D. S. Citrin, 2002 “TimeDomain Simulation of a Universal Quantum Gate,” Journal of Applied Physics, 96.5 : 3219-3226. Sullivan, D.M. and D. S. Citrin, 2001, “TimeDomain Simulation of Two Electrons in A Quantum Dot,” Journal of Applied Physics, 89.7: 3841-3846.