A Bloch Band Base Level Set Method in the Semi-classical Limit of the Schrödinger Equation
Hailiang Liu1 and Zhongming Wang2
Abstract
It is now known that one can use level setdescription to accurately capture multi-phases incomputation of high frequency waves. In thispaper, we develop Bloch band based level setmethod for computing the semi-classical limit ofSchrödinger equations in periodic media. For theunderlying equation subject to highly oscillatoryinitial data hybrid of the WKB approximationand homogenization leads to the Bloch eigenvalueproblem and an associated Hamilton-Jacobisystem for the phase, with Hamiltonian being theBloch eigenvalues. We evolve level setdescription to capture multi-valued solutions tothe band WKB system, and then evaluate totalposition density over sample set of bands. Asuperposition of band densities is established overall bands and solution branches when away fromcaustic points. Numerical results with differentnumber of bands are provided to demonstrate thegood quality of the method.
Problem and Applications
We consider general one dimensional linear Schrödingerequation
This type of Schrödinger equations is fundamental modelin solid-state physics and also models the quantumdynamics of Bloch electrons subject to an external field.
In the semi-classical regime,  where є tends to zero,  directnumerical simulation can be prohibitively costly. Therefore,asymptotic models need to be considered.
Bloch Structure
Due to b(x/єand V(x/є), homogenization is neededbesides WKB expansion, i.e.,
Using previous ansatz and balancing leading terms,we have
where En is the nth eigenvalue of the Bloch eigen-problem
with
being differential operator parameterized by k.
In general, the resulting Hamilton-Jacobi systemdevelops singularities in finite time.  After singularityformation, multi-valued solutions are the physicallyrelevant ones to capture correct physical phenomena.
Density
The wave solution over all band is asuperposition of  wave fields on each band,
We have shown that the averaged density on nthband,     is superposition of all multi-valueddensities, i.e.,
We have also shown that the averaged densityover all bands converges weakly, i.e.,
Here  ρє  is defined as
Numerical Issues
 1. Initialization of ρn
where is given in the initial wave ΨNumericalexperience shows that only or 10 bands are sufficient.
 2. Bloch eigenvalue problem
By Fourier transform of the differential operator H(k,y),the eigenvalue problem becomes
Where H is a Hermitian matrix and
Department of Mathematics
Level set method Formulation
Let Φ be function in phase space whose zero levelset gives unthen
The multi-valued density  ρn is computed by
where solves
Note that we need to solve one level set equation andone conservative equation for each band. We willshow numerically that only few bands are needed incomputation, which makes our method feasible.
Numerical Example 1
Numerical Example 2
Future work:  Remove the unboundness of the density at caustics
Reference: H.-L. Liu and Z.-M. Wang, Bloch band based level setmethod in the semi-classical limit of the Schrödinger equation, submitted
1.Department of Mathematics, Iowa State University
2.Presenter, Department of Mathematics, University of  California, San Diego