Энергия Ферми — это понятие в квантовой механике , обычно относящееся к разнице энергий между высшим и низшим занятыми одночастичными состояниями в квантовой системе невзаимодействующих фермионов при температуре абсолютного нуля . В ферми-газе считается, что самое низкое занятое состояние имеет нулевую кинетическую энергию, тогда как в металле самое низкое занятое состояние обычно считается дном зоны проводимости .
Термин «энергия Ферми» часто используется для обозначения другого, но тесно связанного понятия, уровня Ферми (также называемого электрохимическим потенциалом ). [примечание 1] Есть несколько ключевых различий между уровнем Ферми и энергией Ферми, по крайней мере, в том виде, в каком они используются в этой статье:
Поскольку уровень Ферми в металле при абсолютном нуле представляет собой энергию наивысшего заполненного одночастичного состояния, то энергия Ферми в металле представляет собой разность энергий между уровнем Ферми и нижним занятым одночастичным состоянием при нулевой температуре.
В квантовой механике группа частиц, известных как фермионы (например, электроны , протоны и нейтроны ), подчиняются принципу запрета Паули . Это говорит о том, что два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние . Поскольку идеализированный невзаимодействующий ферми-газ можно анализировать с точки зрения одночастичных стационарных состоянийТаким образом, мы можем сказать, что два фермиона не могут занимать одно и то же стационарное состояние. Эти стационарные состояния обычно различаются по энергии. Чтобы найти основное состояние всей системы, мы начинаем с пустой системы и добавляем частицы по одной, последовательно заполняя незанятые стационарные состояния с наименьшей энергией. Когда все частицы введены, энергия Ферми представляет собой кинетическую энергию наивысшего занятого состояния.
Как следствие, даже если мы извлекли всю возможную энергию из ферми-газа, охладив его до температуры, близкой к абсолютному нулю , фермионы все еще движутся с высокой скоростью. Самые быстрые движутся со скоростью, соответствующей кинетической энергии, равной энергии Ферми. Эта скорость известна как скорость Ферми . Только когда температура превышает соответствующую температуру Ферми , электроны начинают двигаться значительно быстрее, чем при абсолютном нуле.
Энергия Ферми — важное понятие в физике твердого тела металлов и сверхпроводников . Это также очень важная величина в физике квантовых жидкостей , таких как низкотемпературный гелий (как нормальный, так и сверхтекучий 3 He), и она весьма важна для ядерной физики и для понимания устойчивости белых карликов к гравитационному коллапсу .