Annales Math matiques de l'Universit de Sidi Bel Abbs Vol. 4 (1997) p. 55-65
VALEURS PROPRES ET RESONANCES
DES MOLECULES POLYATOMIQUES
DANS L'APPROXIMATION DE BORN-OPPENHEIMER
1MESSIRDI Bekkai
y& DJAA Mustapha
y yInstitut de Math matiquesUniversit d'Oran, Alg rie
R sum
On tudie le spectre de l'op rateur de Schrodinger P(h) d'une mol cule
poly-atomique dans l'approximation de Born-Oppenheimer lorsque h
2, inverse de la masse
des noyaux, tend vers z ro. On montre que cette tude peut tre ramen e celle d'un op rateur pseudo-di rentiel semi-classique et on obtient des d veloppements de type BKW en puissances dehpour les valeurs propres, les r sonances et les fonctions
propres de P(h).
Abstract
We study the spectrum of Schrodinger operator P(h) for a polyatomic molecul
in the Born-Oppenheimer approximation where the mass ratio h
2 of electronic to
nuclear mass tends to zero. We prove that this study can be reduced to the one of a semi-classical pseudo-dierential operator and we obtain WKB-type expansion of
eigenvalues, resonaces and eigenfunctions ofP(h)to all orders ofh.
Mots cls:
Approximation de Born-Oppenheimer, D veloppementBKW, Opra-teur pseudo-di rentiel, Valeur propre, R sonance, Op rara-teur de Feshbach.
AMS
subject Classication:
47 B 90, 47 B 40. 11 Introduction
Consid rons un systme quantique de
n
+p
+1particules, form den
+1noyaux repr sentantles particules lourdes (de masse
M
1) et dep
lectons representant les particules l g res(de masse d'ordre 1). En choisissant des coordonn es appropri es
x
ety
par rapport au centre de masse,x
2IR3n est la position des noyaux et
y
2IR3p celle des lectrons, alors le
systme tudi est d crit par un Hamiltonien quantique compltement d coupl du type :
P
=;h
2 x;y +V
(x y
)+h
2p
(@
y)sur L
2 (IR 3n x IR 3p y ) (1)o
h
est un paramtre positif assez petit proportionnelM
;1=2,V
une sommed'inter-actions entre les particules et
p
(@
y) un op rateur de second ordre en la variabley
, appelterme isotropique ne jouant aucun rle dans l' tude spectrale de
P
, donc il peut tre ventuellement omis.Les niveaux l ctroniques du systme engendr par
P
, sont par d nition les valeurs propres discretes : 1 (x
)<
2 (x
):::
de l'op rateur :Q
(x
)=;y+V
(x y
)sur L
2 (IR 3p y ) (2)L'id e de Born-Oppenheimer d velopp e dans 3] consiste montrer que l' tude spectrale de
P
pourh
;!0+, peut tre ramen e celle de la famille des op rateurs : ;
h
2 x+j(x
)sur L
2 (IR 3n x )j
2IN (3)en utilisant la r duction de Feshbach par le problme de Grushin.
En particulier dans le cas o le pontentiel d'interactions est r gulier et si
1(
x
) admet unpuits ponctuel non d g n r en
E
0, alors les valeurs propres deP
pr s deE
0, admettent desd veloppements asymptotiques r els en puissances entires de
h
1=2 (Combes-Duclos-Seiler4], Hagedorn 8], Martinez 13] ).
Si par contre le potentiel d'interactions est singulier (par exemple de type de Coulomb), la m thode de r duction de Feshbach ne peut tre appliqu e directement car les fonctions propres
u
j(x y
) deQ
(x
) associ es aux j(x
), sont seulement de classeC
2 par rapport
la variable
x
( Combes-Seiler 5]). N anmoins, on peut surmonter cette dicult en in-troduisant des changements de variables ad quats eny
, d pendant dex
et permettant de r gulariser les fonctionsu
j(x y
). Puisque ces changements de variables sont d nislocale-ment en
x
, alors si le puits de potentiel est compact on peut par recollement construire un op rateurh
-pseudo-dierentiel semi-classique adapt ces changements et qui permet de caract riser le spectre deP
. Les l ments du spectre discret deP
ont un d veloppement asymptotique complet. La m thodeBKW
permet aussi de d velopper asymptotiquement les fonctions propres de l'op rateurP
et d'avoir des estimations pr cises sur l'eet tunnel dans des situations standards (Klein-Martinez-Seiler-Wang 12])._ Ann. Math. Univ. S-B-A
M. Djaa & B. Messirdi
57 Cependant, cette technique n'est pas susante lorsqu'on veut tudier le spectre continu deP
, ou, fortiori, les r sonances de cet op rateur, car dans ce cas le puits de potentiel n'est plus born . Ainsi, on doit tout d'abord utiliser des changements de variables qui permettent de localiser les singularit s eny
du potentiel en fonction dex
. Ce travail est r alis dans le cas des mol cules diatomiquesn
= 1 et adapt l'op rateur dilat deP
,o cet op rateur a t r duit une matrice d'op rateurs
h
-pseudo-di rentiels surL
2 (IR3 x)
(Martinez-Messirdi 15]). Une g n ralisation au cas polyatomique
n
2est encore possible.Le plan suivi dans ce travail est:
1-
Introduction2-
M thode de Feshbach3-
Cas r gulier4-
Cas polyatomique5-
R sonances dans le cas r gulier6-
R sonances dans le cas singulier2 Mthode de Feshbach
La m thode de Feshbach est une m thode de r duction introduite par Feshbach 6] et d velopp e par Combes-Dulos-Seiler 4].
Nous appliquons cette m thode dans le cas o
V
est suppos -compact (c'est direcompact en tant qu'op rateur de
H
2 (IR 3(n+p) ) dansL
2 (IR 3(n+p) )).L'op rateur
P
de domaineH
2 (IR3(n+p)
xy )est alors auto-adjoint, ainsi que
Q
(x
)=;y+V
(x y
) 8x
2IR 3n de domaineH
2 (IR 3p ). Notons par1 (x
)et 2(
x
)les deux premires valeurs propres discrtes deQ
(x
)et supposonsque : 8 < : inf x2IR 3n
1 (x
)=0 inf x2IR 3n 2 (x
)=>
0 (4) On note aussiu
1(
x y
)la premire fonction propre deQ
(x
) assossi e 1(
x
)et normalis edans
L
2 (IR3p
y )). Pour tudier le spectre de
P
prs de 0, consid rons pour2CI assez petit,l'op rateur matriciel (dit de Grushin) :
P
=P
;u
1 (x y
) h_u
1 (x y
)iy 0 (5) deH
2 (IR 3(n+p) ) LL
2 (IR 3n ) dansL
2 (IR 3(n+p) ) LL
2 (IR 3n ), o on a not h_ _ iy le produit scalaire dansL
2 (IR 3p ). Puisque: <e
h^(P
;)^u
^u
i(;<e
())k^u
k 2 8u
2H
2 IR 3(n+p)o
^ =1; et = (x
) est la projection orthogonale suru
1 (x :
)dansL
2 (IR 3p ). On a alors:Proposition 2.1
Pour tout assez petit,P
est inversible deH
2 (IR 3(n+p) ) LL
2 (IR 3n ) dansL
2 (IR 3(n+p) ) LL
2 (IR 3n ). Si on noteP
;1 =E
()E
+ ()E
; ()E
;+ () (6) on a les identits : (P
;) ;1 =E
();E
+ ()E
;+ ()] ;1E
; () (E
;+ ()) ;1 = ;h(P
;) ;1 (u
_ 1 )u
1 iy (7) o(u
_ 1) d signe l'op rateur de multiplication par
u
1.En particulier on en d duit le r sultat suivant sur le spectre de
P
,(P
):Proposition 2.2
2(
P
) () 02(E
;+ ()) () 2(;E
;+ ()) (8) #L'int rt principal d'avoir consid r l'op rateur
P
est qu'il ramne en fait l' tude spectrale deP
celle d'un op rateur plus simpleE
;+(
), n'agissant que sur les variablesx
, commele montre la proposition pr c dente. De plus, un calcul directe donne :
;E
;+ ()=;h
2 x+ 1 (x
)+h
4 x^ ^P
; ;1 ^ x (9) oP
^ est la restriction deP
(h
) fv
2H
2 (IR 3(n+p) )v
^ =v
g. La formule (9) et laproposition 2.2, montrent que l'etude spectrale de
P
surL
2 (IR (3n+p) ) se r duit celle de ;h
2 x+ 1 (x
) surL
2 (IR 3n )moduloO (h
2 ).3 cas rgulier
Si on suppose que
V
(x y
) est un potentiel r gulier, dans le sens ov
2C
1 IR 3n x L(H
2 (IR 3p y )L
2 (IR 3p ))il est simple de montrer que
E
;+(
) est unC
1-op rateur
h
-pseudo-di rentiel. En eet,P
peut tre consid r comme op rateurh
-pseudo-di rentiel enx
, associ au symbole op rateur :p
(x
)=2 +
Q
(x
);u
1 (x y
) h_u
1 (x y
)iy 0 (10)_ Ann. Math. Univ. S-B-A
M. Djaa & B. Messirdi
59 qui est une fonction deC
1h
T
IR 3n L(H
2 (IR 3p y ) L I CL
2 (IR 3p y ) L I C) i . Puisque le calculh
-pseudo-di rentiel usuel peut tre g n ralis ces types de symboles (Balazard-Konlein 1], G rard-Martinez-Sjstrand 7]), etp
(x
) est inversible pour tout (x
) 2T
IR
3n,
P
;1est aussi un op rateur
h
-pseudo-di rentiel. Par cons quentE
;+(
) l'est aussi, sonsymbole principal est
;2
;
1(
x
).A l'aide d'un r sultat d'Heler-Sjstrand 9], il est assez standard de montrer que les valeurs propres de
P
admettent des d veloppements asymptotiques r els enph
. De plus, certaines fonctions propres deP
possdent aussi des d veloppementsBKW
. En eet, sous ces conditions on a le th orme:Thorme 3.1
SoientC
1>
0 arbitraire,
N
1 le nombre de valeurs propres de
x + 1 2 h
00 1 (0)x x
idans 0C
1 ], ete
1::: e
N1 ces valeurs propres. Alors, pour
j
=1
::: N
1, il existeE
j(h
)=e
jh
+ 1 X k=1e
jkh
1+k=2 (e
jk 2IR ) eta
j(x y h
)= 1 X k=0h
mj +k=2a
j(x y
) avecm
j 2IR,a
j 2C
1 (IR 3H
2 (IR 3p )) tels que: (P
(h
);E
j(h
))(e
;(x)=ha
j(x y h
))=0o
(x
) est la distance d'Agmon dex
0 associe la mtrique 1(
x
)dx
2.#
4 Cas polyatomique
Dans la mesure o l'on a suppos que le potentiel
V
tait r gulier on a cependant pas vraiment am lior les r sultats de Combes-Duclos-Seiler 4], qui concernent le cas physique singularit s coulombinnes. Le fait est qu'un potentiel du type 1j
x
;y
jne rentre pas de manire naturelle dans un calcul pseudo-di rentiel, puisque les d riv es d'ordre
k
en
x
d'un tel potentiel auront une singularit d'autant plus forte quek
est grand (dutype 1
j
x
;y
jk+1). Klein-Martinez-Seiler-Wang 12] ont cependant montr que modulo un
changement de variable, l'emploi d'un tel calcul est encore possible si
V
(x y
)est de typede Coulomb faisant intervenir des termes de la forme 1 j
y
x
jj, 1
j
x
jx
kj,
x
jy
2IR 3.L'id e consiste r gulariser
V
(x y
), sans modier les singularit s. On suppose quex
estl'ext rieur de l'ensemble
C
de collision de la mol cule :C
=fx
=(x
1
::: x
n )2IR3n
Pour
x
0 =(x
0 1::: x
0 n)2IR 3n nC
etx
assez proche dex
0, on considre le changement de variable eny
,y
;!y
0d pendant de
x
et d ni par: 8 > > > > < > > > > :y
=F
(x y
0 )=F
(x y
0 1 )::: F
(x y
0 p)y
s=F
(x y
0 s) def =y
0 s+ n X j=1 (x
j;x
0 j)l
j(y
0 s)s
2f1::: p
gl
j 2C
1 0 (IR 3 )l
j(x
0 k)=jkj k
2f1::: n
g (11)(de telles transformations ont t d j utilis es par Hunziker dans 11]). A (11) est associ l'op rateur unitaire sur
L
2(IR 3p ):
U
x0'
(x y
)='
(x F
(x y
0 ))jdet@
y 0F
(x y
0 )j 1 2 (12)Puisque par construction
F
(x x
0j) =
x
j, il est alors facile de v rier que pour toutj
2 f1::: n
g ets
2f1::: p
g, on a :U
x0 1 jy
;x
jj ! 2C
1 x 0 L(H
2 (IR 3p )L
2 (IR 3p )) (13) ox0 est un voisinage assez petit de
x
0.En xant un niveau d' nergie
0<
inff
(Q
(x
)) n 1 (x
)get en supposant que ;1 1 (] ; 1 0 ])est compact, on peut construire un nombre ni de di omorphismes (
F
l)1lN du type
(11), associ s aux transformations unitaires
U
l v riants (13), et d nies pourx
dansl,o les (l) 1lN recouvrent
;1 1 (];1 0 ]). En notantW
=IR 3n n N l=1 l, par ellipticit de (P
;) dansW
(pour0), on peut modier
P
, dans un voisinage deW
, de tellefaon que l'op rateur obtenu
P
~ devientC
1 en
x
dansW
et ( ~P
) dire de (P
) dans ];1 0]d'un terme exponentiellement petit.
Notons aussi 0 =IR 3n n
;1 1 (];1 0])et choisissons une partition de l'unit (
4 l)0lN
adapt e au recouvrement(l)
0lN, on peut crire d'aprs (13) la matrice ~
P
associ e ~P
sous la forme suivante:~
P
= N X l=0 l(x
)U
ll(x
)P
l()l(x
)U
;1 l l(x
) (14) o lesP
l(
)sont des op rateurs matriciels symboles op rateurs du type (5) et oU
0 estla matrice identit . On v rie que
P
~est inversible, son inverse s' crit comme en (6) ~
P
;1 = ~E
() ~E
+ () ~E
; () ~E
;+ () (15)_ Ann. Math. Univ. S-B-A
M. Djaa & B. Messirdi
61Thorme 4.1
E
~ ;+(
) est un oprateurh
-pseudo-direntiel de symbole principal ;(2 + 1 (
x
)) #En utilisant ensuite l'analyticit en
du symbole, on peut obtenir les d veloppements
BKW
des fonctions propres deP
.De plus, si les interactions sont invariantes par les rotations du groupeO (3), alors le puits
de potentiel est n cessairement non connexe d'o l'apparition de l'eet tunnel.
5 Rsonances dans le cas rgulier
Nous allons d crire ici des r sultats sur les r sonances de
P
dans le cas o le potentiel est r gulier et d croissance polynmiale eny
'cf. 16]).Supposons que
V
est une fonctionC
1 enx
ety
et d signons par 1 (x
), 2 (x
)et 3 (x
)lestrois premires valeurs propres de
Q
(x
), on se place dans la situation o 2(
x
) admet unminimum strict non d g n r , de valeur
E
0, et croise3(
x
) sur un compactK
de IR 3n,K
tant disjoint du puits de potentiel cr par
2(
x
), et 1 (x
) restant en dessous deE
0. Fig. 1 En particulier2 (x
), 3(
x
)et leurs fonctions propres associ esu
2(
x y
)etu
3(
x y
)perdentleurs r gularit s lorsqu'on s'approche de
K
. Pour palier ce problme, on construit une base de l'espace propre associ f2 (
x
) 3 (x
)gqui soitC
1 (IR 3nx ) et qui coincide avec f
u
2
(
x y
)u
3(
x y
)g l'exterieur deK
. A l'aide de cette base on peut tudier les rso-nances de
P
prs deE
0 partir d'une dilatation analytique enx
. Les techniques d'analysemicrolocales (cf. 10]) et les constructions
BKW
, montrent que ces r sonances existent, ont des d veloppements asymptotiques r els en puissances deh
1=2 et leurs parties imaginairessont exponentiellement petites.
Thorme 5.1
SoitC
2>
0 x en dehors du spectre de :H
2 =;x+ 1 2 h 00 2 (0)x x
i notons fe
1::: e
N 2g les valeurs propres de
H
2 dans0
C
2].
Pour
h >
0 assez petit,P
admet exactementN
2 rsonances dans 0
C
2
h
x assez petit) notes
1(
h
):::
N 2(
h
) et pour toutj
, j(h
) admet un dveloppementasymptotique rel du type :
j(h
)=e
j(h
)+ 1 X k=1 jkh
1+k=2 (jk 2IR) De plus, il existe0
>
0, tel que : j=m
j(h
)j=O (e
; 0=h )uniformment pour
h >
0 assez petit,j
2f1::: N
2g.
#
6 Rsonances dans le cas singulier
On s'int resse dans cette section aux r sonances des mol cules diatomiques (n=1), lorsque les interactions sont coulombiennes (cf. 15]).
En supposant que le potentiel d'interactions est dilatable analytiquement dans le sens de Balslev-Combes 2], on peut construire l'Hamiltonien distordu
P
deP
, 2CI =m >
0, jjassez petit, obtenu par distorsion (cf. 11]):
x
;!x
+!
(x
)y
j ;!y
j+!
(y
j) 1j
p
(16)
o
!
est unC
1-champ de vecteur de IR3, gal l'identit pour
j
x
j assez grand. Lessingularit s du potentiel
V
ne changent pas sous l'action de cette distorsion, ce qui nous amne appliquer les techniques de Klein-Martinez-Seiler-Wang 12]P
, ces techniques sont d velopp es dans la section 4. En se plaant prs d'un niveau d' nergie de diusion 0 2ess(P
), le puits ;1 1 (];1 0])n'est plus compact, donc les techniques de la section
4 ne s'appliquent pas directement.
_ Ann. Math. Univ. S-B-A
M. Djaa & B. Messirdi
63 On commence tout d'abord par localiser les singularit s eny
d pendant dex
, sur la boule unit deIR3. La premire id e qu'on peut avoir pour localiser le problme pour
x =
2
C
, est deposer
y
0 =1 j
x
jy
, mais le domaine deQ
(x
)devient d pendant dex
h@
@x
se transforme en@x
@
+x
jx
jy
0@
@y
0 i. Pour palier ce problme on utilise un changement de variable du type:
y
;!y
0 = jxj (y
) (17) avec jxj (y
)= 8 < : 1 jx
jy si
jy
jjx
jy si
jy
j2jx
j x(y
) d pend de manireC
1 de
y
et dex
. Aprs cette transformation, les singularit s dupotentiel deviennent
y
0 j =x
jx
j 8j
2f1::: p
g:
Par compacit on peut localiser le problme par un nombre ni de changements de variable du type (17). Les techniques de la section 4 sont maintenant applicables au r gularis
P
~de
P
dans la r gion elliptique et permettent d'aboutir au :Thorme 6.1
Pour tout 2CI tel que <e
()<
inf((Q
(x
))nf 1(
x
)g), il existe unefamille
E
~ ;+(
) ( 2CI, =m >
0 et jj assez pztit) d'oprateursh
-pseudo-direntielssur IR
3 telle que
est une rsonance deP
si et seulement si il existe2CI, =
m >
0 et 02disc(~
E
;+(
)) modulo une erreur exponentiellement petite.#
Un autre travail sur les r sonances des mol cules diatomiques dans lequel nous montrons, l'aide d'un choix appropri du champ de la distorsion (
=Op
h
prs du puits de potentiel) et des constructionsBKW
qu'au voisinage du puits cr par le second niveau lectron-ique les r sonances apparaissent et possdent des d veloppements asymptotlectron-iques r els en puissances deh
et que leurs largeurs sont exponentiellement petites, ce qui correspond un cas physique parfaitement relativement stable.En eet, consid rons un potentiel de type de Coulomb avec les mmes notations et hy-pothses de la section 6, si de plus les niveaux lectroniques sont simples l'inni, on a alors, d'aprs les r sultats tablis pr c demment, le
Thorme 6.2
SoitC
0>
0 x en dehors du spectre deH
0 =;d
2dx
2 + 1 2 00 2 (r
0 )(r
;r
0 ) 2, 0 = 2 (r
0 )= inf x2IR 3 n0 ( 2 (x
)). Notonsfe
1::: e
N 0gles valeurs propres de
H
0dans0
C
0].
Soit aussi
C
1>
0 choisi arbitrairement grand tel que
0 +e
1h
+C
1h
2=
2(P
0 ), oP
0 estla ralisation auto-adjointe de l'oprateur;
h
2 x+ 2 (x
)+h
2 h;xu
2 (x y
)u
2 (x y
)iy surun voisinage assez petit du puits de potentiel cr par
2. On note :N
1 = #(P
)\];1 0 +e
1h
+C
1h
2 ] = #(P
0 )\];1 0 +e
1h
+C
1h
2 ]alors pour
h >
0 assez petit,P
possdeN
1 rsonances
1 (h
):::
N 1 (h
) dans ]1 0 +e
1h
+C
1h
2 ]+i
;] (
>
0 x assez petit) o pour toutj
2f1::: N
1 g: j(h
)= 0 +e
1h
+ +1 X k=2e
jkh
k (e
jk 2IR ) j=m
j(h
)j=O (e
;C=h )uniformment par rapport
h
,C >
0.Remarque 6.1
En fait, on peut m me amliorer ce rsultat des niveaux d'nergies plus levs, en montrant comme dans l'article de Sordoni 17], que toute rsonance j deP
dans0
0 +C
0
h
] admet un dveloppement asymptotique rel de type :
j(h
)= 0 +(e
j+ 2 )h
+ X k3 jk(l
)h
k=2 (jk(l
)2IR ) = phl
(l
+1)r
0 ,l
2IN eth >
0 assez petit.Remarque 6.2
Une gnralisation de tous les rsultats suscits au cas polyatomique(n
2), est envisage. Nanmoins beaucoup de problmes techniques sont poss, surtout lanon-bornitude de l'ensemble de collision dans ce cas.
#
Rfrences
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h
-admissibles symboles oprateurs et applications.Thse 3 me cycle, Universit de Nantes 1985.2] E. Balslev, J. M. Combes: Spectral properties of many-body Schrdinger operators with dilatation analytic interactions. Comm. Math. Phys. 22, p. 280-294 (1991).
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