本文研究一个简化的量子能量输运模型[1]:
这里电子浓度$n$, 电子温度$T$和电位势$V$为未知函数; 带电粒子杂质$C(x)$和晶格温度$T_{L}(x)$为给定函数; 普朗克常数$\varepsilon>0$, 能量松弛时间$\tau>0$和标度的德拜长度$\lambda>0$为物理参数.模型 (1.1)-(1.3) 可以从量子流体动力学方程组中通过取大时间及小速度极限推导出[1].文献[1]在周期边界条件下证明了 (1.1)-(1.3) 弱解的整体存在性, 文献[2]得到了其解的半古典极限.
最近文献[3]研究了 (1.1)-(1.3) 一维稳态模型古典解的存在性, 具体来说, 我们考虑了如下边值问题:
其中$J_{0}$表示电流密度, 得到了如下结果:
定理1.1 (见文献[3]) 设$C(x),\ T_{L}(x)\in L^{\infty}(0,1)$, $C(x)>0,\ 0<m_{L}\leq T_{L}(x)\leq M_{L}$, $x\in\ (0,1)$, 则问题 (1.4)-(1.8) 存在古典解$(n,T,V)$使得$n(x)\geq e^{-M}>0$, $x\in(0,1)$, 其中$M$是
的解.
本文继续证明问题 (1.4)-(1.8) 解的唯一性, 我们的主要结果是
定理1.2 设定理1.1中的条件成立, 再若$m_{L}$充分大且$|J_{0}|$较小, 则问题 (1.4)-(1.8) 的解是唯一的.
注1.1 模型 (1.1)-(1.3) 是一种简化的量子能量输运模型, 对于其他类型的量子能量输运模型, 我们可以参考文献[4-6].
注1.2 当晶格温度$T_{L}(x)$和电子温度$T$都为常数时, 则模型 (1.1)-(1.3) 变成量子漂移-扩散模型, 此类模型的研究结果见文献[7-19].
文献[3]通过指数变换$n=e^{u}$把问题 (1.4)-(1.8) 变成了如下与之等价的问题
并证明了此问题存在解$(u,T,V)\in H^{4}(0,1)\times H^{2}(0,1)\times H^{2}(0,1)$, 所以为了得到定理1.2, 只需证明问题 (2.1), (2.2), (2.4) 解的唯一性即可.为此有如下定理
定理2.1 设定理1.1中的条件成立, 再若$m_{L}$充分大且$|J_{0}|$较小, 使得
则问题 (2.1), (2.2), (2.4) 的解$(u,T)\in H^{4}(0,1)\times H^{2}(0,1)$是唯一的.
注2.1 由 (1.9) 式知, 当$m_{L}$较大时$M$会较小, 从而可以保证当$m_{L}$充分大且$|J_{0}|$较小时 (2.6) 式成立.
在文献[3]的引理2.1中已经得到了如下估计:
其中 (2.9) 式见文献[3]中引理2.1的证明.为了证明定理2.1, 还需要如下估计
引理2.1 设$(u,T)\in H^{4}(0,1)\times H^{2}(0,1)$是问题 (2.1), (2.2), (2.4) 的解, 则
证 由均值不等式及 (2.7) 式, 得
所以再由Hölder不等式及 (1.9) 式, 得
从而 (2.10) 式成立.
(2.2) 式两边在$(0,x)$上积分, 得
所以由 (2.8) 及 (2.9) 式知 (2.11) 式成立.
定理2.1的证明 设$(u_{1},T_{1}),\ (u_{2},T_{2})\in H^{4}(0,1)\times H^{2}(0,1)$为问题 (2.1), (2.2), (2.4) 的两个解.用$T_{1}-T_{2}$分别作为
和
的试验函数并两式相减, 得
由 (2.8) 式知
由拉格朗日中值定理及 (2.8) 式知
所以再由 (2.11) 式, Hölder不等式及Poincaré不等式, 得
利用 (2.9) 式, 类似上式估计, 可以得到
由 (2.12)-(2.15) 式可得
用$u_{1}-u_{2}$分别作为
由 (2.10) 式及Young不等式, 得
由Hölder不等式及 (2.16) 式, 得
由 (2.9) 式知
由 (2.10) 式, Hölder不等式, Poincaré不等式及 (2.16) 式, 得
由函数$e^{x}$的单调递增性可知
由格朗日中值定理, Hölder不等式及Poincaré不等式, 得
由 (2.17)-(2.23) 式可得
其中
由 (2.24) 式及条件 (2.6) 式可知$u_{1}=u_{2}$, 再由 (2.16) 式得$T_{1}=T_{2}$.