Datei:QHO-groundstate-animation-color.gif

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QHO-groundstate-animation-color.gif(300 × 200 Pixel, Dateigröße: 158 KB, MIME-Typ: image/gif, Endlosschleife, 105 Bilder, 5,2 s)

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Beschreibung

Beschreibung
English: Quantum wave function of the ground state in a Quantum harmonic oscillator. The probability distribution is drawn along the ordinate, while the phase is encoded by color. The gaussian wave packet is static in time but its quantum phase changes due to zero-point energy.
Datum
Quelle Eigenes Werk
 
Dieser Plot wurde mit Matplotlib erstellt.
Urheber Geek3
Andere Versionen QHO-groundstate.png

Source Code

The plot was generated with Matplotlib.


Python Matplotlib source code
#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf8 -*-

from math import *
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import animation, colors, colorbar
import numpy as np
from numpy.polynomial.hermite import Hermite
import colorsys
from scipy.interpolate import interp1d

plt.rc('path', snap=False)
plt.rc('mathtext', default='regular')

# image settings
fname = 'QHO-groundstate-animation-color'
width, height = 300, 200
ml, mr, mt, mb, mh, mc = 35, 19, 22, 45, 12, 6
x0, x1 = -4, 4
y0, y1 = 0, 0.6
nframes = 3 * 5 * 7
fps = 20

# physics settings
nfock = 0
omega = 2*pi * 2

def color(phase):
    phase1 = ((phase / (2*pi)) % 1 + 1) % 1
    hue = (interp1d([0, 1./3, 1.2/3, 0.5, 1], # spread yellow a bit
                    [0, 1./3, 1.3/3, 0.5, 1])(phase1) + 2./3.) % 1
    light = interp1d([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6], # adjust lightness
                     [0.64, 0.5, 0.56, 0.48, 0.75, 0.57, 0.64])(6 * hue)
    hls = (hue, light, 1.0) # maximum saturation
    rgb = colorsys.hls_to_rgb(*hls)
    return rgb

def animate(nframe):
    print str(nframe) + ' ',
    t = float(nframe) / nframes
    
    ax.cla()
    ax.axis((x0, x1, y0, y1))
    ax.grid(True)
    
    psi_fock = np.eye(1, nfock+1, nfock).flatten()
    # Definition of Fock-states in terms of Hermite functions:
    # https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_harmonic_oscillator
    a_hermite = [psi_fock[n] * pi**-0.25 / sqrt(2.**n*factorial(n))
                    * e**(-1j * omega * (n+0.5) * t) for n in range(1+nfock)]
    # doc: http://docs.scipy.org/doc/numpy/reference/generated/numpy.polynomial.hermite.Hermite.html
    H = Hermite(a_hermite)
    
    x = np.linspace(x0, x1, int(ceil(1+w_px)))
    x2 = x - px_w/2.
    psi_x = np.exp(-x**2 / 2.0) * H(x)
    phi_x = np.angle(np.exp(-(x2)**2 / 2.0) * H(x2))
    y = np.abs(psi_x)**2
    
    # plot color filling
    for x_, phi_, y_ in zip(x, phi_x, y):
        ax.plot([x_, x_], [0, y_], color=color(phi_), lw=2*0.72)
    
    ax.plot(x, y, lw=2, color='black')
    ax.set_yticks(ax.get_yticks()[:-1])

# create figure and axes
plt.close('all')
fig, ax = plt.subplots(1, figsize=(width/100., height/100.))
bounds = [float(ml)/width, float(mb)/height,
          1.0 - float(mr+mc+mh)/width, 1.0 - float(mt)/height]
fig.subplots_adjust(left=bounds[0], bottom=bounds[1],
                    right=bounds[2], top=bounds[3], hspace=0)
w_px = width - (ml+mr+mh+mc) # plot width in pixels
px_w = float(x1 - x0) / w_px # width of one pixel in plot units

# axes labels
fig.text(0.5 + 0.5 * float(ml-mh-mc-mr)/width, 4./height,
         r'$x\ \ [(\hbar/(m\omega))^{1/2}]$', ha='center')
fig.text(5./width, 1.0, '$|\psi|^2$', va='top')

# colorbar for phase
cax = fig.add_axes([1.0 - float(mr+mc)/width, float(mb)/height,
                    float(mc)/width, 1.0 - float(mb+mt)/height])
cax.yaxis.set_tick_params(length=2)
cmap = colors.ListedColormap([color(phase) for phase in
                              np.linspace(0, 2*pi, 384, endpoint=False)])
norm = colors.Normalize(0, 2*pi)
cbar = colorbar.ColorbarBase(cax, cmap=cmap, norm=norm,
                    orientation='vertical', ticks=np.linspace(0, 2*pi, 3))
cax.set_yticklabels(['$0$', r'$\pi$', r'$2\pi$'], rotation=90)
fig.text(1.0 - 10./width, 1.0, '$arg(\psi)$', ha='right', va='top')
plt.sca(ax)

# start animation
anim = animation.FuncAnimation(fig, animate, frames=nframes)
anim.save(fname + '_.gif', writer='imagemagick', fps=fps)

import os
# compress with gifsicle
commons = 'https://commons.wikimedia.org/wiki/File:'
cmd = 'gifsicle -O3 -k256 --careful --comment="' + commons + fname + '.gif"'
cmd += ' < ' + fname + '_.gif > ' + fname + '.gif'
if os.system(cmd) == 0:
    os.remove(fname + '_.gif')
else:
    print 'warning: gifsicle not found!'
    os.remove(fname + '.gif')
    os.rename(fname + '_.gif', fname + '.gif')

Lizenz

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aktuell15:40, 4. Okt. 2015Vorschaubild der Version vom 15:40, 4. Okt. 2015300 × 200 (158 KB)Geek3legend added
00:12, 21. Sep. 2015Vorschaubild der Version vom 00:12, 21. Sep. 2015300 × 200 (175 KB)Geek3{{Information |Description ={{en|1=Quantum wave function of the ground state in a Quantum harmonic oscillator. The [[:en:Probability distribution|probability distribution...

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