Formalismo de Keldysh


F. P. Marin
><
Menu

El Límite $t_{0} \to -\infty$

En esta situación, transformadas de Fourier en ambos miembros de las ecuaciones integrales para ${\rm G}^{<}\pars{t,t'}$ y ${\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{t,t'}$ se pueden obtener en una forma simple ( ver página anterior y Apéndice A ):

\begin{align} {\rm G}^{<}\pars{\omega,\omega'} & = {\rm g}^{<}\pars{\omega,\omega'}\nonumber \\[3mm]&\mbox{}+ {\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}{\rm G}^{<}\pars{\omega,\omega'} + {\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \Sigma^{<}\pars{\omega}{\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'} \nonumber \\[3mm]&\mbox{}+ {\rm g}^{<}\pars{\omega}\Sigma^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'} \label{Gmcomp} \\[5mm] {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'} & = {\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'} + {\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}\Sigma^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'} \label{Gacomp} \end{align} con $\LARGE\mbox{(}$ ver expresiones previas para $\angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}}$ y $\angles{n\pars{t}}$ $\LARGE\mbox{)}$
\begin{align} \angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}} & = {2e \over h}\,\Re\int_{-\infty}^{\infty}\dd\omega \int_{-\infty}^{\infty}{\dd\omega' \over 2\pi}\nonumber \\[3mm]& \expo{-\ic\pars{\omega - \omega'}t} \bracks{% \Sigma_{\eta}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}{\rm G}^{<}\pars{\omega,\omega'} + \Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega} {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'}} \label{Iwmenosw} \\[3mm]& \mbox{donde hemos usado}\quad 2\pi\hbar = h \nonumber \\& \nonumber \\[5mm] \angles{n\pars{t}} & = \int_{-\infty}^{\infty}{\dd\omega \over 2\pi\ic}\, \int_{-\infty}^{\infty}{\dd\omega' \over 2\pi} \expo{-\ic\pars{\omega - \omega'}t}\ {\rm G}^{<}\pars{\omega,\omega'} \label{nwmenosw} \end{align}
De la estructura de las ecuaciones \eqref{Gmcomp} y \eqref{Gacomp}, para ${\rm G}^{<}\pars{\omega,\omega'}$ y ${\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'}$ se infiere, puesto que ${\rm g}^{<}\pars{\omega,\omega'}$ y ${\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'}$ son $\propto \delta\pars{\omega - \omega'}$, que ${\rm G}^{<}\pars{\omega,\omega'}$ y ${\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'}$ son de la forma $$ {\rm G}^{<}\pars{\omega,\omega'} \equiv 2\pi\,\delta\pars{\omega - \omega'}{\rm G}^{<}\pars{\omega} \,, \qquad\qquad {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega,\omega'} \equiv 2\pi\,\delta\pars{\omega - \omega'}{\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} $$ tal que \begin{align} {\rm G}^{<}\pars{\omega} & = {\rm g}^{<}\pars{\omega} \nonumber\\[3mm]&\mbox{}+ {\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}{\rm G}^{<}\pars{\omega} + {\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \Sigma^{<}\pars{\omega}{\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} \nonumber\\[3mm]&\mbox{}+ {\rm g}^{<}\pars{\omega}\Sigma^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} \label{GMenosW} \\[5mm] {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} & = {\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} + {\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}\Sigma^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} \label{GAW} \end{align} Ello $\pars{~\mbox{el límite}\ t_{0} \to -\infty, \mbox{y en consecuencia, la proporcionalidad a}\ \delta\pars{\omega - \omega'}~}$ conduce a soluciones estacionariasindependientes del tiempo ) para el flujo medio de carga $\angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}}$ y el número medio $\angles{n\pars{t}}$ de partículas en la gota cuántica $GC$: $$ I_{\eta} \equiv \angles{{\cal I}_{\eta}\pars{t}}\,, \qquad\qquad \angles{n} \equiv \angles{n\pars{t}} $$ En consecuencia, y con Ecs. \eqref{Iwmenosw} y \eqref{nwmenosw},
\begin{align} I_{\eta} &= {2e \over h}\,\Re\int_{-\infty}^{\infty}\dd\omega \bracks{% \Sigma_{\eta}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}{\rm G}^{<}\pars{\omega} + \Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega}{\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}} \label{Ietaw} \\[3mm] \angles{n} &= \int_{-\infty}^{\infty}{\dd\omega \over 2\pi\ic}\, {\rm G}^{<}\pars{\omega} \label{nw} \end{align}
Multiplicando ambos miembros de la Ec. \eqref{GAW}, para ${\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}$, por el factor $\bracks{{\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}}^{-1} {\rm g}^{<}\pars{\omega}$ se obtiene el resultado ${\rm g}^{<}\pars{\omega} + {\rm g}^{<}\pars{\omega}\Sigma^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} = 0\phantom{=}$ tal que solo sobreviven el segundo y el tercer término en la Ec. (\ref{GMenosW}) para ${\rm G}^{<}\pars{\omega}$:
\begin{eqnarray} {\rm G}^{<}\pars{\omega} & = & {\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}{\rm G}^{<}\pars{\omega} + {\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \Sigma^{<}\pars{\omega}{\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} \\&&\nonumber \\ {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} & = & {\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} + {\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}\Sigma^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} {\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} \end{eqnarray}
Las soluciones de este par de ecuaciones vienen dadas por
Note que \begin{align*} {\rm g}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} & = \bracks{{\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}}^{*} \\ \Sigma^{\rm\pars{a}}\pars{\omega} & = \bracks{\Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}}^{*} \end{align*}
\begin{eqnarray} {\rm G}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} & = & \bracks{{\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}}^{*} = {{\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \over 1- {\rm g}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}\Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}} \\[3mm] {\rm G}^{<}\pars{\omega} & = & \Sigma^{<}\pars{\omega}\verts{{\rm G}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}}^{2} = \Sigma^{<}\pars{\omega}\, {-\Im{\rm G}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \over \Im\braces{\bracks{{\rm G}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}}^{-1}}} \nonumber\\ & = & -\Im{\rm G^{\pars{r}}}\pars{\omega}\, {\Sigma^{<}\pars{\omega} \over -\Im\Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}} \end{eqnarray}
tal que
\begin{align} {\rm G}^{<}\pars{\omega} & = \pi\rho\pars{\omega}\, {\Sigma^{<}\pars{\omega} \over \Gamma\pars{\omega}} \\ \rho\pars{\omega} & \equiv -\,{1 \over \pi}\,\Im{\rm G}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} \label{rhoomega} \end{align}
$\rho\pars{\omega}$ es la densidad espectral asociada a la gota cuántica $GC$
\begin{align} &\nonumber \\[3mm] \Gamma\pars{\omega} & \equiv -\Im\Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} = \sum_{\eta}\bracks{-\Im\Sigma_{\eta}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}} = \sum_{\eta}\Gamma_{\eta}\pars{\omega + eV_{\eta}} \\[3mm] \Gamma_{\eta}\pars{\omega} & \equiv -\Im\Sigma_{\eta}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} = \pi\sum_{\vec{k}} \verts{V_{\eta\vec{k}}}^{2}\delta\pars{\omega - \epsilon_{\eta\vec{k}}} \\[3mm] {\rm G}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} & = {1 \over \omega - \xi - \Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}} \end{align}
$\Re\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega} = 0$ y, en consecuencia,
 
$\Re\Sigma^{<}\pars{\omega} = 0$. Así mismo $\Re{\rm G}^{<}\pars{\omega} = 0$.

En el desarrollo anterior hemos expresado las funciones ${\rm G}^{<}\pars{\omega}$ y ${\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}$ en términos de cantidades que son evaluadas en el instante inicial $t_{0} \to -\infty$ cuando $V_{\eta\vec{k}} = 0$, $\forall\ \eta,\vec{k}$. Ello permite obtener expresiones para la evaluación de la corriente eléctrica y de la población electrónica en la gota cuántica $GC$. A partir de la expresión \eqref{Ietaw}, y con las propiedades enumeradas arriba, se obtiene:

\begin{eqnarray} I_{\eta} & = & {2e \over h}\,\int_{-\infty}^{\infty}\dd\omega\, \bracks{% -\Im\Sigma_{\eta}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}\Im{\rm G}^{<}\pars{\omega} - \Im\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega}\ \overbrace{\ \Im{\rm G}^{\rm\pars{a}}\pars{\omega}\ } ^{-\Im{\rm G}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}}} \nonumber\\ & = & {2e \over h}\,\int_{-\infty}^{\infty}\dd\omega\, \braces{% \Gamma_{\eta}\pars{\omega + eV_{\eta}} \bracks{\pi\rho\pars{\omega}\,{\Im\Sigma^{<}\pars{\omega} \over \Gamma\pars{\omega}}} - \Im\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega}\bracks{\pi\rho\pars{\omega}}} \nonumber\\ & = & {2\pi e \over h}\,\int_{-\infty}^{\infty}\dd\omega\, \rho\pars{\omega} \bracks{% {\Gamma_{\eta}\pars{\omega + eV_{\eta}} \over \Gamma\pars{\omega}}\, \Im\Sigma^{<}\pars{\omega} - {\Gamma\pars{\omega} \over \Gamma\pars{\omega}}\, \Im\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega}}\label{ietarp} \end{eqnarray} Así mismo \begin{eqnarray} n_{\sss{\rm GC}} & = & \int_{-\infty}^{\infty}{\dd\omega \over 2\pi}\, \Im{\rm G}^{<}\pars{\omega} = \int_{-\infty}^{\infty}{\dd\omega \over 2\pi}\, \pi\rho\pars{\omega}\, {\Im\Sigma^{<}\pars{\omega} \over \Gamma\pars{\omega}} \nonumber\\[3mm]&=& \half\,\int_{-\infty}^{\infty}\dd\omega\,\rho\pars{\omega} \sum_{\eta} {\Im\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega} \over \Gamma\pars{\omega}} \end{eqnarray} Estos resultados expresan $I_{\eta}$ y $n_{\sss{\rm GC}}$ en términos de cantidades que son evaluadas en el instante inicial y con la condición $V_{\eta\vec{k}} = 0, \forall \eta, \vec{k}$.
La expresión simétrica para el flujo de carga $I_{\eta}$ viene dada por \eqref{ietarp}: \begin{align} I_{\eta} & = {2\pi e \over h}\,\int_{-\infty}^{\infty}\dd\omega\,\rho\pars{\omega} \times \nonumber\\[3mm]&\sum_{\eta'}\bracks{% {\Gamma_{\eta}\pars{\omega + eV_{\eta}} \over \Gamma\pars{\omega}}\,\Im\Sigma_{\eta'}^{<}\pars{\omega} - {\Gamma_{\eta'}\pars{\omega + eV_{\eta'}} \over \Gamma\pars{\omega}}\,\Im\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega}} \label{Ietafinal} \\ & \mbox{Note que}\quad \sum_{\eta}I_{\eta} = 0 \nonumber \\[5mm] \angles{n} & = \half\,\int_{-\infty}^{\infty}\dd\omega\,\rho\pars{\omega} \sum_{\eta} {\Im\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega} \over \Gamma\pars{\omega}} \label{nfinal} \\[5mm]&\mbox{}\nonumber \end{align} \begin{align} \mbox{Note que} &\nonumber \\ -\Im\Sigma_{\eta}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} & = \phantom{2}\pi\sum_{\vec{k}}\verts{V_{\eta\vec{k}}}^{2} \delta\pars{\omega - \xi_{\eta\vec{k}}} = \pi\sum_{\vec{k}}\verts{V_{\eta\vec{k}}}^{2} \delta\pars{\omega - \epsilon_{\eta\vec{k}} + eV_{\eta}} \\[5mm] \Im\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega} & = 2\pi\sum_{\vec{k}}\verts{V_{\eta\vec{k}}}^{2} \delta\pars{\omega - \xi_{\eta\vec{k}}} \angles{n_{\eta\vec{k}}}_{0}\nonumber \\[3mm]&=2\pi\sum_{\vec{k}}\verts{V_{\eta\vec{k}}}^{2} \delta\pars{\omega - \epsilon_{\eta\vec{k}} + eV_{\eta}} \angles{n_{\eta\vec{k}}}_{0}\label{sigmaMenosFinal} \\[5mm] \rho\pars{\omega} & = {\Gamma\pars{\omega}/\pi \over \bracks{\omega - \xi - \Re\Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}}^{2} + \Gamma^{2}\pars{\omega}} \label{rhoomegafinal} \\[5mm]& \mbox{y}\quad \Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega} = \sum_{\eta}\Sigma_{\eta}^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}\,, \quad \Sigma^{<}\pars{\omega} = \sum_{\eta}\Sigma_{\eta}^{<}\pars{\omega} \end{align} Es interesante observar lo siguiente:
Es interesante señalar que en el estado estacionario, la corriente eléctrica y la ocupación de la gota cuántica $GC$ son determinadas por la ocupación inicial de los reservorios cuando se ignoran los contactos entre los reservorios y la gota cuántica $GC$. Ver \eqref{sigmaMenosFinal}.
La Densidad Espectral asociada a la gota cuántica $GC$ viene dada por la definición \eqref{rhoomega} $$ \rho\pars{\omega} = -\,{1 \over \pi}\,\Im{\rm G^{\pars{r}}}\pars{\omega}\,, \qquad\qquad {\rm G^{\pars{r}}}\pars{\omega} = {1 \over \omega - \xi - \Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}} = {1 \over \omega - \pars{\epsilon - eV_{G}} - \Sigma^{\rm\pars{r}}\pars{\omega}} $$ Observe que
A continuación estudiamos aplicaciones de los resultados obtenidos en esta sección a algunas situaciones relevantes.
><
Menu