Formalismo de Keldysh


F. P. Marín
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Flujo de Carga desde los Reservorios y Población en la Gota Cuántica

El flujo de carga eléctrica $\angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}}$ desde el reservorio $\eta$ puede expresarse en términos de la variación temporal del número medio de partículas $\angles{N_{\eta}\pars{t}}$ en el reservorio $\eta$. ${\cal I}_{\eta}$ es un observable cuyos valores medios corresponden al flujo de carga desde el reservorio $\eta$.

Enfatizamos que $\angles{\cdots} = \trace\pars{\rho\pars{t_{0}}\ldots}$ donde $\rho\pars{t_{0}}$ es la matriz densidad en el instante inicial $t_{0}$ y $\cdots$ es un operador o producto de operadores en la representación de Heisenberg.
$$ \angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}} \equiv -e\bracks{-\,\frac{\dd\angles{N_{\eta}\pars{t}}}{\dd t}} = e\braces{-\,{\ic \over \hbar}\,\angles{\bracks{N_{\eta}\pars{t},H}}} = -\,{\ic e \over \hbar}\,\angles{\bracks{N_{\eta}\pars{t},H_{T}\pars{t}}} $$ donde $-e < 0$ es la carga del electrón. $\displaystyle{% \bracks{N_{\eta},H_{T}} = \sum_{\vec{k}} \pars{V_{\eta\vec{k}}^{*}\,a_{\eta\vec{k}}^{\dagger}b - V_{\eta\vec{k}}\,b^{\dagger}a_{\eta\vec{k}}}} $ $$ \angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}} = -\,{\ic e \over \hbar}\, \sum_{\vec{k}}\bracks{% V_{\eta\vec{k}}^{*}\angles{a_{\eta\vec{k}}^{\dagger}\pars{t}b\pars{t}} - V_{\eta\vec{k}}\angles{b^{\dagger}\pars{t}a_{\eta\vec{k}}\pars{t}}} $$
En consecuencia, $$ \angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}} = -\,{2e \over \hbar}\,\Im\sum_{\vec{k}}V_{\eta\vec{k}} \angles{b^{\dagger}\pars{t}a_{\eta\vec{k}}\pars{t}} $$ El número medio de partículas en la gota cuántica $G$ viene dado por $$ \angles{n\pars{t}} = \angles{b^{\dagger}\pars{t}b\pars{t}}\,, \quad n \equiv b^{\dagger}b $$ $-e$ es la carga del electrón.
${\cal I}_{\eta} \equiv -\pars{\ic e/\hbar}\bracks{N_{\eta},H_{T}} = -\pars{\ic e/\hbar}\sum_{\vec{k}}\pars{% V_{\eta\vec{k}}^{*}\,a_{\eta\vec{k}}^{\dagger}b - V_{\eta\vec{k}}\,b^{\dagger}a_{\eta\vec{k}}}$ es el observable asociado al flujo de carga, mencionado arriba, desde el reservorio $\eta$. Así mismo, el flujo de carga ${\cal I}_{n} \equiv e\,\left.\dd n\pars{t}/\dd t\right\vert_{\, t = t_{0}} = -\pars{\ic e/\hbar}\bracks{n,H_{T}}$ desde la gota cuántica $GC$ hacia los reservorios satisface, en virtud de la conservación del número total de partículas $\pars{~\bracks{\sum_{\eta}N_{\eta} + n,H}=0~}$, \begin{equation} \sum_{\eta}{\cal I}_{\eta} + {\cal I}_{n} = 0 \label{conservacionN} \end{equation}

Las funciones de correlación $\angles{b^{\dagger}\pars{t}a_{\eta\vec{k}}\pars{t}}$ y $\angles{b^{\dagger}\pars{t}b\pars{t}}$, a tiempos iguales, sugieren la Introducción de las funciones de Green-Keldysh

\begin{align} {\rm F}_{\eta\vec{k}}\pars{t,t'} & \equiv -\ic\angles{\tk\,a_{\eta\vec{k}}\pars{t}b^{\dagger}\pars{t'}} = -\ic\Theta\pars{t,t'}\angles{a_{\eta\vec{k}}\pars{t}b^{\dagger}\pars{t'}} + \ic\Theta\pars{t',t}\angles{b^{\dagger}\pars{t'}a_{\eta\vec{k}}\pars{t}} \label{defF} \\[5mm] {\rm G}\pars{t,t'} & \equiv -\ic\angles{\tk\,b\pars{t}b^{\dagger}\pars{t'}} \equiv -\ic\Theta\pars{t,t'}\angles{b\pars{t}b^{\dagger}\pars{t'}} + \ic\Theta\pars{t',t}\angles{b^{\dagger}\pars{t'}b\pars{t}} \label{defG} \end{align}
tal que \begin{align} \angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}} & = {2e \over \hbar}\,\Re\sum_{\vec{k}}V_{\eta\vec{k}} {\rm F}_{\eta\vec{k}}^{<}\pars{t,t} \label{IvsVF} \\[1mm] \angles{n\pars{t}} & = -\ic{\rm G}^{<}\pars{t,t} \label{nvsG} \end{align}
$$ \mbox{Note que}\quad {\rm F}_{\eta\vec{k}}^{<}\pars{t,t'} = \ic\angles{b^{\dagger}\pars{t'}a_{\eta\vec{k}}\pars{t}} \quad\mbox{y}\quad {\rm G}^{<}\pars{t,t'} = \ic\angles{b^{\dagger}\pars{t'}b\pars{t}} $$

En general, se estudian las ecuaciones de movimiento de las funciones de Green-Keldysh sobre el contorno de Keldysh $\ck$ y, a partir de estas, se derivan resultados para las diferentes versiones: $^{<},\ ^{>},\ ^{\rm\pars{a}}\ $ y $\ ^{\rm\pars{r}}$.

Balance Energético

La variación de la energía media del sistema en función del tiempo viene dada por \begin{align*} \totald{\angles{H_{0}\pars{t}}}{t} &=-\,{\ic \over \hbar}\,\bracks{H_{0}\pars{t},H\pars{t}} =-\,{\ic \over \hbar}\,\bracks{H_{0}\pars{t},H_{\rm T}\pars{t}} \\[3mm]&=\sum_{\eta}V_{\eta}\ \underbrace{% \braces{-\,{\ic e \over \hbar}\, \bracks{N_{\eta}\pars{t},H_{\rm T}\pars{t}}}} _{\large\angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}}} + V_{G}\ \underbrace{\braces{-\,{\ic e \over \hbar}\, \bracks{n\pars{t},H_{\rm T}\pars{t}}}}_{\large\angles{{\cal I}_{n}\pars{t}}} \end{align*} $\angles{{\cal I}_{n}\pars{t}}\equiv e\,\totald{\angles{n\pars{t}}}{t}$ es el flujo de carga desde la gota cuántica hacia los reservorios.
$$ \totald{\angles{H_{0}\pars{t}}}{t} = \sum_{\eta}V_{\eta}\angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}} + V_{G}\angles{{\cal I}_{n}\pars{t}} = \sum_{\eta}\pars{V_{\eta} - V_{G}}\angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}} $$
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