Datei:QHO-coherentstate3-animation-color.gif

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QHO-coherentstate3-animation-color.gif(300 × 200 Pixel, Dateigröße: 449 KB, MIME-Typ: image/gif, Endlosschleife, 150 Bilder, 7,5 s)

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Beschreibung

Beschreibung
English: Animation of the quantum wave function of a coherent state of initial α=3 in a Quantum harmonic oscillator. The probability distribution is drawn along the ordinate, while the phase is encoded by color. The gaussian wave packet oscillates sinusoidally in the harmonic potential.
Datum
Quelle Eigenes Werk
 
Dieser Plot wurde mit Matplotlib erstellt.
Urheber Geek3
Andere Versionen QHO-coherentstate3-animation.gif

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
import colorsys
from scipy.interpolate import interp1d
import os, sys

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

# image settings
fname = 'QHO-coherentstate3-animation-color'
width, height = 300, 200
ml, mr, mt, mb, mh, mc = 35, 19, 22, 45, 12, 6
x0, x1 = -7, 7
y0, y1 = 0.0, 0.7
nframes = 150
fps = 20

# physics settings
alpha0 = 3.0
omega = 2*pi

def color(phase):
    hue = (phase / (2*pi) + 2./3.) % 1
    light = interp1d([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6], # adjust lightness
                     [0.64, 0.5, 0.55, 0.48, 0.70, 0.57, 0.64])(6 * hue)
    hls = (hue, light, 1.0) # maximum saturation
    rgb = colorsys.hls_to_rgb(*hls)
    return rgb

def coherent(alpha0, x, omega_t):
    # Definition of coherent states
    # https://en.wikipedia.org/wiki/Coherent_states
    alpha = alpha0 * e**(-1j * omega_t)
    psi = pi**-0.25 * np.exp(-0.5j * omega_t
                - 0.5 * ((x - sqrt(2) * alpha.real))**2
                - 1j * alpha.imag * (alpha.real - sqrt(2) * x))
    return psi

def animate(nframe):
    print str(nframe) + ' ',; sys.stdout.flush()
    t = float(nframe) / nframes # animation repeats after t=1.0
    
    ax.cla()
    ax.grid(True)
    ax.axis((x0, x1, y0, y1))

    x = np.linspace(x0, x1, int(ceil(1+w_px)))
    x2 = x - px_w/2.
    
    # Let's cheat a bit: add a phase phi(t)*const(x)
    # This will reduce the period from T=2*(2pi/omega) to T=1.0*(2pi/omega)
    # and allow fewer frames and less file size for repetition.
    # For big alpha the change is hardly visible
    psi = coherent(alpha0, x, omega * t) * np.exp(-0.5j * omega * t)
    psi2 = coherent(alpha0, x2, omega * t) * np.exp(-0.5j * omega * t)
    
    y = np.abs(psi)**2
    phi = np.angle(psi2)
    
    # plot color filling
    for x_, phi_, y_ in zip(x, phi, y):
        ax.plot([x_, x_], [0, y_], color=color(phi_), lw=2*0.72)
    
    ax.plot(x, y, lw=2, color='black')
    ax.set_yticklabels([l for l in ax.get_yticks() if l < y0+0.9*(y1-y0)])
    

# 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
if 0 != os.system('convert -version > ' +  os.devnull):
    print 'imagemagick not installed!'
    # warning: imagemagick produces somewhat jagged and therefore large gifs
    anim = animation.FuncAnimation(fig, animate, frames=nframes)
    anim.save(fname + '.gif', writer='imagemagick', fps=fps)
else:
    # unfortunately the matplotlib imagemagick backend does not support
    # options which are necessary to generate high quality output without
    # framewise color palettes. Therefore save all frames and convert then.
    if not os.path.isdir(fname):
        os.mkdir(fname)
    fnames = []
    
    for frame in range(nframes):
        animate(frame)
        imgname = os.path.join(fname, fname + '{:03d}'.format(frame) + '.png')
        fig.savefig(imgname)
        fnames.append(imgname)
    
    # compile optimized animation with ImageMagick
    cmd = 'convert -loop 0 -delay ' + str(100 / fps) + ' '
    cmd += ' '.join(fnames) # now create optimized palette from all frames
    cmd += r' \( -clone 0--1 \( -clone 0--1 -fill black -colorize 100% \) '
    cmd += '-append +dither -colors 255 -unique-colors '
    cmd += '-write mpr:colormap +delete \) +dither -map mpr:colormap '
    cmd += '-alpha activate -layers OptimizeTransparency '
    cmd += fname + '.gif'
    os.system(cmd)
    
    for fnamei in fnames:
        os.remove(fnamei)
    os.rmdir(fname)

Lizenz

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