Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике , квазичастиц и коллективных возбуждений (которые тесно связаны между собой ) являются возникающие явления , которые происходят , когда микроскопически сложную систему , такие как твердые ведет себя , как если бы он содержал различные слабо взаимодействующие частицы в вакууме . Например, когда электрон проходит через полупроводник , его движение сложным образом нарушается из-за его взаимодействия с другими электронами и атомными ядрами . Электрон ведет себя так, как будто имеет другую эффективную массу, невозмущенную движущимся в вакууме. Такой электрон называетсяэлектронная квазичастица . [1] В другом примере, совокупное движение электронов в валентной зоне в виде полупроводника или дырок в металлическом [2] , ведут себя , как если бы материал содержал вместо того, чтобы положительно заряженные квазичастицы называют электронные дырки . К другим квазичастицам или коллективным возбуждениям относятся фонон (частица, производная от колебаний атомов в твердом теле), плазмоны (частица, производная от плазменных колебаний ) и многие другие.

Эти частицы , как правило , называют квазичастицы , если они связаны с фермионами , и называются коллективными возбуждения , если они связаны с бозонами , [1] хотя точное различие не универсально согласовано. [3] Таким образом, электроны и электронные дырки (фермионы) обычно называют квазичастицами , а фононы и плазмоны (бозоны) обычно называют коллективными возбуждениями .

Концепция квазичастиц важна в физике конденсированного состояния, потому что она может упростить проблему многих тел в квантовой механике .

Обзор [ править ]

Общее введение [ править ]

Твердые тела состоят только из трех видов частиц : электронов , протонов и нейтронов . Квазичастицы не относятся ни к одному из них; вместо этого каждый из них представляет собой возникающее явление , происходящее внутри твердого тела. Следовательно, хотя вполне возможно, что в пространстве плавает одна частица (электрон, протон или нейтрон), квазичастица может существовать только внутри взаимодействующих систем многих частиц (в первую очередь твердых тел).

Движение в твердом теле чрезвычайно сложно: каждый электрон и протон толкается и притягивается (по закону 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. Задачу многих тел ). С другой стороны, движение невзаимодействующей классической частицы относительно просто; он будет двигаться по прямой с постоянной скоростью. Это мотивация концепции квазичастиц: сложное движение реальных частиц в твердом теле может быть математически преобразовано 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 [ править ]

Любая система, какой бы сложной она ни была, имеет основное состояние и бесконечную серию возбужденных состояний с более высокой энергией .

Основная причина появления квазичастиц заключается в том, что практически невозможно напрямую описать каждую частицу в макроскопической системе. Например, едва заметная (0,1 мм) песчинка содержит около 10 17 ядер и 10 18 электронов. Каждый из них привлекает или отталкивает друг друга по закону Кулона . В принципе, уравнение Шредингера точно предсказывает поведение этой системы. Но уравнение Шредингера в этом случае является уравнением в частных производных (УЧП) на 3 × 10 18-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, решение УЧП в трехмерном пространстве 3 × 10 18 совершенно 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 большей и большей энергией над основным состоянием. Во многих случаях важны только «низколежащие» возбужденные состояния с энергией, достаточно близкой к основному состоянию. Это происходит из-за распределения Больцмана , из которого следует, что тепловые флуктуации очень высоких энергий маловероятны при любой заданной температуре.

Квазичастицы и коллективные возбуждения - это разновидность низколежащих возбужденных состояний. Например, кристалл с абсолютным нулем находится в основном состоянии , но если к кристаллу добавить один фонон (другими словами, если кристалл слегка колеблется на определенной частоте), то кристалл теперь находится в низком состоянии. лежачее возбужденное состояние. Однофононный называется элементарным возбуждением . 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 не совсем так. 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 немного ангармоничны . Однако во многих материалах элементарные возбуждения очень близки к независимым. Поэтому в качестве отправной точки, они рассматриваются как свободные, независимые объекты, а затем вносятся поправки через взаимодействия между элементарными возбуждениями, такие как «фонон-фононное рассеяние ».

Поэтому, используя квазичастицы / коллективные возбуждения, вместо анализа 10 18 частиц нужно иметь дело только с горсткой в ​​некоторой степени независимых элементарных возбуждений. Таким образом, это очень эффективный подход к упрощению задачи многих тел в квантовой механике. Однако этот подход полезен не для всех систем: в сильно коррелированных материалах элементарные возбуждения настолько далеки от независимости, что даже бесполезно рассматривать их как независимые в качестве отправной точки.

Различие между квазичастицами и коллективными возбуждениями [ править ]

Обычно элементарное возбуждение называется «квазичастицей», если это фермион, и «коллективным возбуждением», если это бозон . [1] Однако точное различие не является общепринятым. [3]

Есть разница в способе интуитивного представления квазичастиц и коллективных возбуждений. [3] Квазичастица обычно рассматривается как 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 его эффективная масса отличалась 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 , который характеризует колебательное движение каждого атома в кристалле.

Однако эти две визуализации оставляют некоторую двусмысленность. Например, магнон в ферромагнетике можно рассматривать одним из двух совершенно эквивалентных способов: (а) как подвижный дефект (неверно направленный спин) в идеальном совмещении магнитных моментов или (б) как квант коллективной спиновой волны 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, особенно в отношении условий идентичности квазичастиц и того, следует ли считать их «реальными» по стандартам, например, реализма сущностей . [5] [6]

Влияние на объемные свойства [ править ]

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

В примере теплоемкости кристалл может накапливать энергию, образуя фононы , и / или формируя экситоны , и / или формируя плазмоны и т. Д. Каждый из них является отдельным вкладом в общую теплоемкость.

История [ править ]

Идея квазичастиц возникла в теории ферми-жидкостей Льва Ландау , первоначально изобретенной для изучения жидкого гелия-3 . Для этих систем существует сильное сходство между понятиями квазичастиц и одетых частиц в квантовой теории поля . Динамика теории Ландау определяется кинетическим уравнением типа среднего поля . Аналогичное уравнение, уравнение Власова , справедливо для плазмы в так называемом плазменном приближении. В приближении плазмы заряженные частицы считаются движущимися в электромагнитном поле, коллективно генерируемом всеми другими частицами, и жесткие столкновения между заряженными частицами не учитываются. Когда кинетическое уравнение типа среднего поля является действительным описанием системы первого порядка, поправки второго порядка определяют производство энтропии и обычно принимают форму члена столкновения типа Больцмана , на котором изображены только «дальние столкновения» "между виртуальными частицами . Другими словами, каждый тип кинетического уравнения среднего поля и фактически каждая теория среднего поля включает в себя понятие квазичастиц.

Примеры квазичастиц и коллективных возбуждений [ править ]

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 [ править ]

Смотрите также: Список квазичастиц
  • В твердых телах электронная квазичастица - это электрон, на который действуют другие силы и взаимодействия в твердом теле. Электронная квазичастица имеет тот же заряд и спин, что и «нормальный» электрон ( элементарная частица ), 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 экранирования электрического поля . Во многих других отношениях, особенно в металлах в обычных условиях, эти так называемые квазичастицы Ландау [ цитата необходима] очень похожи на знакомые электроны; как показал " квантовый загон " Кромми , СТМ может четко отображать их интерференцию при рассеянии.
  • Отверстие является квазичастично , состоящий из - за отсутствия электрона в состоянии; это наиболее часто используется в контексте пустых состояний в валентной зоне в виде полупроводника . [1] Дырка имеет заряд, противоположный электрону.
  • Фонона является коллективным возбуждением , связанным с вибрацией атомов в жесткой кристаллической структуре . Это квантовое из звуковой волны .
  • Магнон является коллективным возбуждением [1] , связанный со спином электронов структуры в кристаллической решетке. Это квант спиновой волны .
  • В материалах квазичастица фотона - это фотон, на который влияет его взаимодействие с материалом. В частности, квазичастица фотона имеет модифицированное соотношение между длиной волны и энергией ( дисперсионное соотношение ), которое описывается показателем преломления материала . Его также можно назвать поляритоном , особенно вблизи резонанса материала. Например, экситон-поляритон - это суперпозиция экситона и фотона; фонон-поляритонный представляет собой суперпозицию фонона и фотона.
  • Плазмонного представляет собой коллективное возбуждение, которое является квантом плазменных колебаний (где все электроны одновременно колебаться относительно всех ионов).
  • Поляронный является квазичастично , который приходит о том, когда электрон взаимодействует с поляризацией окружающих его ионов.
  • Экситон представляет собой электрон и дырка связаны друг с другом.
  • Plasmariton является в сочетании оптического фонона и одетый фотон , состоящий из плазмона и фотона.

Более специализированные примеры [ править ]

  • Ротонный представляет собой коллективное возбуждение , связанное с вращением жидкости (часто сверхтекучей ). Это квант вихря .
  • Составные фермионы возникают в двумерной системе, подверженной сильному магнитному полю, наиболее известны 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 заряда электрона e . Фактически, они наблюдались с зарядами e / 3, e / 4, e / 5 и e / 7. [8] Во-вторых, они могут быть анионами , экзотическим типом частиц, которые не являются ни фермионом, ни бозоном . [9]
  • Стонеровские возбуждения в ферромагнитных металлах
  • Квазичастицы Боголюбова в сверхпроводниках. Сверхпроводимость переносится куперовскими парами, обычно описываемыми 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]
  • Майорановский фермионное представляет собой частицу , которая равна его собственный античастицу, и может появиться как квазичастицы в некоторых сверхпроводниках, или в квантовой спиновой жидкости. [12]
  • Магнитные монополи возникают в системах конденсированного состояния, таких как спиновый лед, и несут эффективный магнитный заряд, а также наделены 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
  • Спинон представляет собой квазичастицу, образованную в результате разделения электронного заряда и спина , и может образовывать как квантовую спиновую жидкость, так и сильно коррелированную квантовую спиновую жидкость в некоторых минералах, таких как Гербертсмитит . [13]
  • Ангулоны можно использовать для описания вращения молекул в растворителях. Впервые постулированный теоретически в 2015 году [14], существование ангулона было подтверждено в феврале 2017 года после серии экспериментов, охватывающих 20 лет. Было обнаружено, что тяжелые и легкие виды молекул вращаются внутри капель сверхтекучего гелия , что хорошо согласуется с теорией ангулона. [15] [16]
  • Фермионы Вейля II типа нарушают симметрию Лоренца , основу специальной теории относительности , которую не могут нарушить реальные частицы. [17]
  • Dislon является квантованным полем , связанным с квантованием решетки поля смещения кристалла дислокации . Это квант вибрационного и статического поля деформации дислокационной линии. [18]

См. Также [ править ]

  • Фракционирование
  • Список квазичастиц
  • Теория среднего поля
  • Псевдочастица

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f 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. С.  299–302 . ISBN 978-0030839931.
  3. ^ a b c Руководство по диаграммам Фейнмана в задаче многих тел , Ричард Д. Маттак, 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 всех частиц в системе одновременно ».
  4. ^ Ohtsu, Motoichi; 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 . DOI : 10.1080 / 0269859032000169451 . 
  6. ^ Б. Фалькенбург, Метафизика частиц (The Frontiers Collection), Берлин: Springer 2007, особенно. стр. 243–46
  7. ^ "Статья Physics Today" .
  8. ^ "Журнал Космос июнь 2008" . Архивировано из оригинала 9 июня 2008 года.
  9. ^ Гольдман, Владимир J (2007). «Дробный квантовый эффект Холла: игра пяти половин». Физика природы . 3 (8): 517. Bibcode : 2007NatPh ... 3..517G . DOI : 10.1038 / nphys681 .
  10. ^ "Джозефсоновские соединения" . Обзор науки и технологий . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.
  11. ^ JE Hoffman; МакЭлрой, К. Ли, DH; Ланг, км; Eisaki, H; Учида, S; Дэвис, JC; и другие. (2002). «Визуализация квазичастичных помех в Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ ». Наука . 297 (5584): 1148–51. arXiv : cond-mat / 0209276 . Bibcode : 2002Sci ... 297.1148H . DOI : 10.1126 / science.1072640 . PMID 12142440 . 
  12. ^ Banerjee, A .; Бриджес, Калифорния; 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 : 2016NatMa..15..733B . DOI : 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 . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 97/56001 .
  14. ^ Шмидт, Ричард; Лемешко, Михаил (18 мая 2015). «Вращение квантовых примесей в многотельной среде». Письма с физическим обзором . 114 (20): 203001. arXiv : 1502.03447 . Bibcode : 2015PhRvL.114t3001S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.114.203001 . PMID 26047225 . 
  15. ↑ Лемешко, Михаил (27 февраля 2017 г.). «Квазичастичный подход к молекулам, взаимодействующим с квантовыми растворителями». Письма с физическим обзором . 118 (9): 095301. arXiv : 1610.01604 . Bibcode : 2017PhRvL.118i5301L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.118.095301 . PMID 28306270 . 
  16. ^ «Продемонстрировано существование новой квазичастицы» . Phys.org . Проверено 1 марта 2017 года .
  17. ^ Сюй, SY; Alidoust, N .; Chang, G .; и другие. (2 июня 2017 г.). «Открытие лоренц-нарушающих фермионов Вейля типа II в LaAlGe» . Успехи науки . 3 (6): e1603266. Bibcode : 2017SciA .... 3E3266X . DOI : 10.1126 / sciadv.1603266 . PMC 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 . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / aaa383 .

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • PhysOrg.com - Ученые находят новые «квазичастицы»
  • Любопытные «квазичастицы» сбивают с толку физиков Джеки Хейс, Cosmos, 6 июня 2008 г. По состоянию на июнь 2008 г.