Квазичастица - Quasiparticle

В физика, квазичастицы и коллективные возбуждения (которые тесно связаны) являются возникающие явления которые возникают, когда микроскопически сложная система, такая как твердый ведет себя так, как если бы он содержал разные слабо взаимодействующие частицы в вакуум. Например, как электрон проходит через полупроводник, его движение сложным образом нарушается из-за его взаимодействия с другими электронами и с атомные ядра. Электрон ведет себя так, как будто у него другой эффективная масса путешествовать невозмущенным в вакууме. Такой электрон называется электронная квазичастица.[1] В другом примере совокупное движение электронов в валентная полоса из полупроводник или дырочку в металле[2] вести себя так, как будто материал вместо этого содержит положительно заряженные квазичастицы, называемые электронные дыры. Другие квазичастицы или коллективные возбуждения включают фонон (частица, образованная из колебаний атомов в твердом теле), плазмоны (частица, полученная из плазменное колебание ), и многие другие.

Эти частицы обычно называют квазичастицы если они связаны с фермионы, и назвал коллективные возбуждения если они связаны с бозоны,[1] хотя точное различие не является общепринятым.[3] Таким образом, электроны и электронные дырки (фермионы) обычно называют квазичастицы, а фононы и плазмоны (барионы) принято называть коллективные возбуждения.

Концепция квазичастиц важна в физика конденсированного состояния потому что это может упростить проблема многих тел в квантовая механика.

Обзор

Общее введение

Твердые тела состоят всего из трех видов частицы: электроны, протоны, и нейтроны. Квазичастицы не относятся ни к одному из них; вместо этого каждый из них возникающее явление что происходит внутри твердого тела. Следовательно, в то время как вполне возможно иметь единственную частицу (электрон, протон или нейтрон), плавающую в космосе, квазичастица может существовать только внутри взаимодействующих систем многих частиц (в первую очередь твердых тел).

Движение в твердом теле чрезвычайно сложно: каждый электрон и протон толкаются и притягиваются (за счет Закон Кулона ) всеми другими электронами и протонами в твердом теле (которые сами могут находиться в движении). Именно эти сильные взаимодействия делают очень трудным прогнозирование и понимание поведения твердых тел (см. проблема многих тел ). С другой стороны, движение невзаимодействующий классическая частица относительно проста; он будет двигаться по прямой с постоянной скоростью. Это мотивация концепции квазичастиц: сложное движение настоящий частицы в твердом теле могут быть математически преобразованы в гораздо более простое движение воображаемых квазичастиц, которые ведут себя больше как невзаимодействующие частицы.

Таким образом, квазичастицы - это математический инструмент для упрощения описания твердых тел.

Связь с квантовой механикой многих тел

Любая система, какой бы сложной она ни была, имеет основное состояние вместе с бесконечной серией высокоэнергетических возбужденные состояния.

Основная мотивация квазичастиц состоит в том, что их практически невозможно прямо описать каждую частицу в макроскопической системе. Например, в едва заметной (0,1 мм) песчинке содержится около 1017 ядер и 1018 электроны. Каждый из них привлекает или отталкивает друг друга Закон Кулона. В принципе, Уравнение Шредингера точно предсказывает, как эта система будет себя вести. Но уравнение Шредингера в этом случае является уравнение в частных производных (PDE) на 3 × 1018-мерное векторное пространство - одно измерение для каждой координаты (x, y, z) каждой частицы. Прямая попытка решить такую ​​PDE на практике невозможна. Решение УЧП в двумерном пространстве обычно намного сложнее, чем решение УЧП в одномерном пространстве (аналитически или численно); решить PDE в трехмерном пространстве еще сложнее; и, таким образом, решая УЧП на 3 × 1018-мерное пространство невозможно простыми методами.

Одним из упрощающих факторов является то, что система в целом, как и любая квантовая система, имеет основное состояние и различные возбужденные состояния с все более высокой энергией над основным состоянием. Во многих случаях важны только «низколежащие» возбужденные состояния с энергией, достаточно близкой к основному состоянию. Это происходит из-за Распределение Больцмана, что означает, что очень высокоэнергетический тепловые колебания маловероятны при любой заданной температуре.

Квазичастицы и коллективные возбуждения - это разновидность низколежащих возбужденных состояний. Например, кристалл на полный ноль находится в основное состояние, но если один фонон добавляется к кристаллу (другими словами, если кристалл слегка колеблется на определенной частоте), то теперь кристалл находится в низколежащем возбужденном состоянии. Единственный фонон называется элементарное возбуждение. В более общем смысле, низколежащие возбужденные состояния могут содержать любое количество элементарных возбуждений (например, множество фононов, наряду с другими квазичастицами и коллективными возбуждениями).[4]

Когда материал характеризуется как имеющий «несколько элементарных возбуждений», это утверждение предполагает, что различные возбуждения могут быть объединены вместе. Другими словами, это предполагает, что возбуждения могут сосуществовать одновременно и независимо. Это никогда именно так правда. Например, твердое тело с двумя идентичными фононами не имеет в два раза большей энергии возбуждения, чем твердое тело с одним фононом, потому что колебания кристалла незначительны. ангармонический. Однако во многих материалах элементарные возбуждения очень близко быть независимым. Следовательно, как отправная точка, они рассматриваются как свободные, независимые сущности, а затем вносятся поправки через взаимодействия между элементарными возбуждениями, такими как "фонон-фононное рассеяние ".

Поэтому, используя квазичастицы / коллективные возбуждения, вместо анализа 1018 частиц, нужно иметь дело только с горсткой в ​​некоторой степени независимых элементарных возбуждений. Следовательно, это очень эффективный подход к упрощению проблема многих тел в квантовой механике. Этот подход бесполезен для все системы, однако: в сильно коррелированные материалы, элементарные возбуждения настолько далеки от того, чтобы быть независимыми, что даже бесполезно рассматривать их как независимые в качестве отправной точки.

Различие между квазичастицами и коллективными возбуждениями

Обычно элементарное возбуждение называют «квазичастицей», если это фермион и «коллективное возбуждение», если это бозон.[1] Однако о точном различии не все согласны.[3]

Есть разница в способе интуитивного представления квазичастиц и коллективных возбуждений.[3] Квазичастица обычно рассматривается как нечто вроде одетая частица: она построена вокруг реальной частицы в ее «ядре», но на поведение частицы влияет окружающая среда. Стандартный пример - «электронная квазичастица»: электрон в кристалле ведет себя так, как если бы он эффективная масса который отличается от его реальной массы. С другой стороны, коллективное возбуждение обычно рассматривается как отражение совокупного поведения системы без единой реальной частицы в ее «ядре». Стандартный пример - фонон, характеризующий колебательное движение каждого атома кристалла.

Однако эти две визуализации оставляют некоторую двусмысленность. Например, магнон в ферромагнетик можно рассматривать одним из двух совершенно эквивалентных способов: (а) как подвижный дефект (неверно направленный спин) в идеальном выравнивании магнитных моментов или (б) как квант коллективного спиновая волна что включает в себя прецессию многих спинов. В первом случае магнон рассматривается как квазичастица, во втором - как коллективное возбуждение. Однако и (а), и (б) являются эквивалентными и правильными описаниями. Как показывает этот пример, интуитивное различие между квазичастицей и коллективным возбуждением не особенно важно или фундаментально.

Проблемы, возникающие из коллективной природы квазичастиц, также обсуждались в рамках философии науки, в частности, в отношении условий идентичности квазичастиц и того, следует ли их считать «реальными» по стандартам, например, сущность реализма.[5][6]

Влияние на объемные свойства

Изучая свойства отдельных квазичастиц, можно получить большой объем информации о низкоэнергетических системах, включая свойства текучести и теплоемкость.

В примере теплоемкости кристалл может накапливать энергию, образуя фононы, и / или формирование экситоны, и / или формирование плазмоны и т. д. Каждый из них вносит отдельный вклад в общую теплоемкость.

История

Идея квазичастиц возникла в Льва Ландау теория Ферми жидкости, который изначально был изобретен для изучения жидких гелий-3. Для этих систем существует сильное сходство между понятиями квазичастицы и одетые частицы в квантовая теория поля. Динамика теории Ландау определяется кинетическое уравнение из тип среднего поля. Аналогичное уравнение Уравнение Власова, действительно для плазма в так называемом плазменное приближение. В приближении плазмы считается, что заряженные частицы движутся в электромагнитном поле, коллективно генерируемом всеми другими частицами, и жесткие столкновения между заряженными частицами не учитываются. Когда кинетическое уравнение типа среднего поля является допустимым описанием системы первого порядка, поправки второго порядка определяют энтропия производства, и обычно принимают форму Больцман термин столкновения типа, в котором фигура только "дальние столкновения" между виртуальные частицы. Другими словами, каждый тип кинетического уравнения среднего поля и фактически все теория среднего поля, включает понятие квазичастиц.

Примеры квазичастиц и коллективных возбуждений.

В этом разделе приведены примеры квазичастиц и коллективных возбуждений. В первом подразделе ниже приведены общие из них, которые встречаются в самых разных материалах в обычных условиях; второй подраздел содержит примеры, возникающие только в особых контекстах.

Более общие примеры

Смотрите также: Список квазичастиц
  • В твердых телах электронная квазичастица является электрон под влиянием других сил и взаимодействий в твердом теле. Электронная квазичастица имеет такое же плата и вращение как "нормальный" (элементарная частица ) электрон, и как нормальный электрон, это фермион. Однако его масса может существенно отличаться от массы нормального электрона; см. статью эффективная масса.[1] Его электрическое поле также изменяется в результате экранирование электрического поля. Во многих других отношениях, особенно в металлах в обычных условиях, эти так называемые квазичастицы Ландау[нужна цитата ] очень похожи на знакомые электроны; так как Кромми "квантовый загон "показал, СТМ может ясно представить их вмешательство при рассеянии.
  • А дыра - квазичастица, состоящая из отсутствия электрона в состоянии; чаще всего используется в контексте пустых состояний в валентная полоса из полупроводник.[1] Дырка имеет заряд, противоположный электрону.
  • А фонон коллективное возбуждение, связанное с колебанием атомов в жестком Кристальная структура. Это квант из звуковая волна.
  • А магнон коллективное возбуждение[1] связано со спиновой структурой электронов в кристаллической решетке. Это квант спиновая волна.
  • В материалах фотон квазичастица - это фотон на него влияет его взаимодействие с материалом. В частности, квазичастица фотона имеет модифицированное соотношение между длиной волны и энергией (соотношение дисперсии ), как описано в показатель преломления. Его также можно назвать поляритон, особенно вблизи резонанса материала. Например, экситон-поляритон суперпозиция экситона и фотона; а фонон-поляритон представляет собой суперпозицию фонона и фотона.
  • А плазмон коллективное возбуждение, являющееся квантом плазменные колебания (при этом все электроны одновременно колеблются относительно всех ионов).
  • А полярон представляет собой квазичастицу, которая возникает, когда электрон взаимодействует с поляризация окружающих его ионов.
  • An экситон электрон и дырка связаны вместе.
  • А плазмаритон представляет собой связанный оптический фонон и одетый фотон, состоящий из плазмона и фотона.

Более специализированные примеры

  • А ротон коллективное возбуждение, связанное с вращением жидкости (часто сверхтекучий ). Это квант вихрь.
  • Композитные фермионы возникают в двумерной системе, подверженной сильному магнитному полю, наиболее известны те системы, которые демонстрируют дробный квантовый эффект Холла.[7] Эти квазичастицы совершенно не похожи на нормальные частицы в двух отношениях. Во-первых, их заряд может быть меньше заряд электрона е. Фактически, они наблюдались с зарядами e / 3, e / 4, e / 5 и e / 7.[8] Во-вторых, они могут быть анйоны, экзотический тип частиц, который не является фермион ни бозон.[9]
  • Стоунер возбуждения в ферромагнитных металлах
  • Квазичастицы Боголюбова в сверхпроводниках. Сверхпроводимость несет Куперовские пары - обычно описываемые как пары электронов, - которые движутся через кристаллическую решетку без сопротивления. Сломанная куперовская пара называется квазичастицей Боголюбова.[10] Он отличается от обычной квазичастицы в металле, потому что сочетает в себе свойства отрицательно заряженного электрона и положительно заряженной дырки (электронной пустоты). Физические объекты, такие как примесные атомы, от которых разлетаются квазичастицы в обычном металле, слабо влияют на энергию куперовской пары в обычном сверхпроводнике. В обычных сверхпроводниках интерференция между боголюбовскими квазичастицами трудно увидеть СТМ. Однако из-за своей сложной глобальной электронной структуры высокотемпературные купратные сверхпроводники представляют собой другое дело. Таким образом, Дэвис и его коллеги смогли выявить характерные особенности интерференции квазичастиц в Bi-2212.[11]
  • А Майорана фермион представляет собой частицу, которая равна своей собственной античастице и может появиться как квазичастица в некоторых сверхпроводниках или в квантовой спиновой жидкости.[12]
  • Магнитные монополи возникают в системах конденсированного состояния, таких как вращать лед и несут эффективный магнитный заряд, а также обладают другими типичными свойствами квазичастиц, такими как эффективная масса. Они могут образовываться в результате переворота спинов в ферромагнетиках из фрустрированного пирохлора и взаимодействовать посредством кулоновского потенциала.
  • Скирмионы
  • Крутиться представляет собой квазичастицу, образованную в результате электронного спин-зарядовое разделение, и может образовывать как квантовая спиновая жидкость и сильно коррелированная квантовая спиновая жидкость в некоторых минералы любить Гербертсмитит.[13]
  • Ангулоны может использоваться для описания вращения молекул в растворителях. Впервые постулированный теоретически в 2015 году,[14] существование ангулона было подтверждено в феврале 2017 года после серии экспериментов, продолжавшихся 20 лет. Было обнаружено, что внутри вращаются тяжелые и легкие виды молекул. сверхтекучий гелий капель, что хорошо согласуется с теорией ангулона.[15][16]
  • Тип-II Фермионы Вейля перерыв Симметрия Лоренца, фундамент специальная теория относительности, которые не могут быть разбиты реальными частицами.[17]
  • А дислон квантованное поле, связанное с квантованием поля смещения решетки кристаллическая дислокация. Это квант вибрационного и статического поля деформации дислокационной линии.[18]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж Э. Каксирас, Атомная и электронная структура твердых тел., ISBN  0-521-52339-7, страницы 65–69.
  2. ^ Эшкрофт и Мермин (1976). Физика твердого тела (1-е изд.). Холт, Рейнхарт и Уинстон. стр.299–302. ISBN  978-0030839931.
  3. ^ а б c Руководство по диаграммам Фейнмана в задаче многих тел, Ричард Д. Мэттак, стр.10. «Как мы видели, квазичастица состоит из исходной реальной, индивидуальной частицы, а также облака возмущенных соседей. Она ведет себя очень похоже на отдельную частицу, за исключением того, что у нее есть эффективная масса и время жизни. Но существуют и другие виды фиктивных частиц в системах многих тел, то есть «коллективных возбуждений». Они не сосредоточены вокруг отдельных частиц, а вместо этого включают коллективное, волнообразное движение все частицы в системе одновременно ".
  4. ^ Оцу, Мотоичи; Кобаяси, Киёси; Кавазоэ, Тадаши; Яцуи, Такаши; Нарусэ, Макото (2008). Принципы нанофотоники. CRC Press. п. 205. ISBN  9781584889731.
  5. ^ Гельферт, Аксель (2003). «Манипулятивный успех и нереальный». Международные исследования в философии науки. 17 (3): 245–263. CiteSeerX  10.1.1.405.2111. Дои:10.1080/0269859032000169451.
  6. ^ Б. Фалькенбург, Метафизика частиц (Коллекция Frontiers), Берлин: Springer 2007, особенно. стр. 243–46
  7. ^ "Статья Physics Today".
  8. ^ "Журнал Космос июнь 2008". Архивировано из оригинал 9 июня 2008 г.
  9. ^ Гольдман, Владимир J (2007). «Дробный квантовый эффект Холла: игра пяти половин». Природа Физика. 3 (8): 517. Bibcode:2007НатФ ... 3..517Г. Дои:10.1038 / nphys681.
  10. ^ «Джозефсоновские узлы». Обзор науки и технологий. Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.
  11. ^ Дж. Э. Хоффман; МакЭлрой, К. Ли, DH; Ланг, км; Eisaki, H; Учида, S; Дэвис, JC; и другие. (2002). "Визуализация квазичастичной интерференции в Bi2Sr2CaCu2О8 + δ". Наука. 297 (5584): 1148–51. arXiv:cond-mat / 0209276. Bibcode:2002Sci ... 297.1148H. Дои:10.1126 / science.1072640. PMID  12142440.
  12. ^ Banerjee, A .; Bridges, C. A .; Yan, J.-Q .; и другие. (4 апреля 2016 г.). «Поведение приближенной квантовой спиновой жидкости Китаева в сотовом магните». Материалы Природы. 15 (7): 733–740. arXiv:1504.08037. Bibcode:2016НатМа..15..733Б. Дои:10.1038 / nmat4604. PMID  27043779.
  13. ^ Шагинян, В. Р .; и другие. (2012). «Идентификация сильно коррелированной спиновой жидкости в гербертсмитите». EPL. 97 (5): 56001. arXiv:1111.0179. Bibcode:2012EL ..... 9756001S. Дои:10.1209/0295-5075/97/56001.
  14. ^ Шмидт, Ричард; Лемешко, Михаил (18 мая 2015). «Вращение квантовых примесей в многотельной среде». Письма с физическими проверками. 114 (20): 203001. arXiv:1502.03447. Bibcode:2015ПхРвЛ.114т3001С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.114.203001. PMID  26047225.
  15. ^ Лемешко, Михаил (27 февраля 2017). «Квазичастичный подход к молекулам, взаимодействующим с квантовыми растворителями». Письма с физическими проверками. 118 (9): 095301. arXiv:1610.01604. Bibcode:2017PhRvL.118i5301L. Дои:10.1103 / PhysRevLett.118.095301. PMID  28306270.
  16. ^ «Продемонстрировано существование новой квазичастицы». Phys.org. Получено 1 марта 2017.
  17. ^ Xu, S.Y .; Alidoust, N .; Chang, G .; и другие. (2 июня 2017 г.). "Открытие лоренц-нарушающих фермионов Вейля типа II в LaAlGe". Достижения науки. 3 (6): e1603266. Bibcode:2017SciA .... 3E3266X. Дои:10.1126 / sciadv.1603266. ЧВК  5457030. PMID  28630919.
  18. ^ Ли, Минда; Цуримаки, Ёитиро; Мэн, Цинпин; Андреевич, Нина; Чжу, Имэй; Махан, Джеральд Д.; Чен, Ганг (2018). «Теория взаимодействующей системы электрон-фонон-дислон - к квантованной теории дислокаций». Новый журнал физики. 20 (2): 023010. arXiv:1708.07143. Дои:10.1088 / 1367-2630 / aaa383.

дальнейшее чтение

  • Л. Д. Ландау, Советская физ. ЖЭТФ. 3:920 (1957)
  • Л. Д. Ландау, Советская физ. ЖЭТФ. 5:101 (1957)
  • Абрикосов А.А., Л. П. Горьков, И.Е. Дзялошинский, Методы квантовой теории поля в статистической физике (1963, 1975). Прентис-Холл, Нью-Джерси; Dover Publications, Нью-Йорк.
  • Д. Пайнс и П. Нозьер, Теория квантовых жидкостей (1966). В.А. Бенджамин, Нью-Йорк. Том I: Нормальные ферми-жидкости (1999). Westview Press, Боулдер.
  • Дж. В. Негеле и Х. Орланд, Квантовые системы многих частиц (1998). Westview Press, Боулдер

внешние ссылки