» » » » » » Cvasiparticule

Cvasiparticule

Cvasiparticule (Orice sistem, indiferent de cât de complicat este, are o stare de bază, împreună cu o serie infinită de stări excitate de energie mai mare.)

În fizică, cvasiparticulele și excitațiile colective (care sunt strâns legate) sunt fenomene emergente care apar atunci când un sistem microscopic complicat, cum ar fi un solid, se comportă ca și cum ar conține diferite particule care interacționează slab în spațiu liber. De exemplu, când un electron trece printr-un semiconductor, mişcarea sa este tulburată într-un mod complex de interacțiunile cu toţi celelalţi electroni și nuclee. Cu toate acestea se comportă aproximativ ca un electron cu o masă diferită care se deplasează neperturbat prin spațiul liber. Acest „electron” cu o masă diferită se numește un „cvasiparticula electron”. Într-un alt exemplu, mișcarea agregată a electronilor din banda de valență a unui semiconductor este aceeași ca în cazul semiconductoarelor care ar conține cvasiparticule încărcate pozitiv denumite găuri. Alte cvasiparticule sau excitații colective includ fononi (particule derivate din vibrațiile atomilor în solid), plasmoni (particule derivate din oscilațiile plasmei), etc.

Aceste particule sunt de obicei numite „cvasiparticule„, sunt legate de fermioni (precum electroni și goluri), și „excitaţii colective„, în cazul în care acestea sunt legate de bosoni (cum ar fi fononi și plasmoni), deși nu există o distincție exactă universal acceptată.

Cvasiparticulele sunt cel mai importante în fizica materiei condensate, deoarece este una dintre puținele metode cunoscute de simplificare a problemei multi-corp în mecanica cuantică.

Solide sunt realizate din doar trei tipuri de particule: electroni, protoni, neutroni și. Cvasiparticulele nu sunt niciuna dintre acestea. Acestea sunt un fenomen emergent care are loc în interiorul solidului. Prin urmare, în timp ce este foarte posibil ca o particulă (electron, sau proton, sau neutron) să plutească singură în spaţiu, o cvasiparticulă nu poate exista decât în interiorul unui solidu.

Mişcarea într-un solid este extrem de complicată: Fiecare electron și proton este tras în toate părţile (prin legea lui Coulomb) de către toate ceilalţi electroni și protoni din solide (care pot fi ele însele în mișcare). Aceste interacțiuni puternice sunt cele care fac foarte dificil să se prevadă și să se înțeleagă comportamentul solidelor. Pe de altă parte, mișcarea unei particule care nu interacționează este destul de simplă: În mecanica clasică, s-ar deplasa într-o linie dreaptă, iar în mecanica cuantică ea s-ar deplasa într-o suprapunere de unde plane. Aceasta este motivația pentru conceptul de cvasiparticule: Mișcarea complicată a particulelor reale dintr-un solid poate fi transformată matematic în mișcare mult mai simplă a unor cvasiparticule imaginare, care se comportă mai mult ca particule care nu interacționează.

Pe scurt, cvasiparticulele sunt un instrument matematic pentru simplificarea descrierii solidelor. Ele nu sunt particule „reale” în interiorul solidului. Spunând că „O cvasiparticulă este prezent” sau „O cvasiparticulă este în mișcare”, acestea sunt prescurtări pentru a spune cp „Un număr mare de electroni și nuclee se deplasează într-un mod coordonat specific.”

Relația cu mecanica cuantică multi-corp

Motivația principală pentru cvasiparticule este faptul că este aproape imposibil de descris direct fiecare particulă într-un sistem macroscopic. De exemplu, un grăunte de nisip abia-vizibil (0,1 mm) conține aproximativ 1017 atomi și 1018 electroni. Fiecare dintre acestea atrage sau respinge orice altă particulă conform legii lui Coulomb. În mecanica cuantică, un sistem este descris de o funcția de undă care, dacă particulele interacționează (ca în cazul nostru), depinde de poziția fiecărei particule din sistem. Deci, fiecare particulă adaugă trei variabile independente funcției de undă, una pentru fiecare coordonată necesară pentru a descrie poziția particulei. Din acest motiv, abordarea directă a problemei multi-corp a 1018 electroni care interacționează direct încercând să se rezolve ecuația Schrödinger adecvată este imposibil în practică, deoarece aceasta implică rezolvarea unei ecuaţii cu derivate parţiale nu doar în trei dimensiuni, ci în 3×1018 dimensiuni – câte una pentru fiecare componentă a poziției fiecărei particule.

Un factor simplificator este că sistemul în ansamblul său, ca orice sistem cuantic, are o stare de bază și diverse stări excitate cu energie din ce în ce mai mare deasupra stării fundamentale. În multe contexte, doar stările excitate din straturile inferioare, cu energie destul de aproape de starea de bază, sunt relevante. Acest lucru se întâmplă din cauza distribuției Boltzmann, ceea ce implică faptul că fluctuațiile termice de foarte mare energie sunt puțin probabile să apară la orice temperatură dată.

Cvasiparticulele și excitaţiile colective sunt un tip de stare excitată din straturile inferioare. De exemplu, un cristal la zero absolut este în starea fundamentală, dar în cazul în care un fonon este adăugat la cristal (cu alte cuvinte, dacă cristalul este făcută să vibreze ușor la o anumită frecvență) atunci cristalul este prezent într-o stare excitată de nivel inferior. Unicul fonon se numește excitație elementară. Mai general, stările excitate inferioare pot conține orice număr de excitaţii elementare (de exemplu, mai mulţi fononi, împreună cu alte cvasiparticule și excitații colective).

Când materialul este caracterizat ca având „mai multe excitații elementare”, această afirmație presupune că diferitele excitații pot fi combinate împreună. Cu alte cuvinte, se presupune că excitațiile pot coexista simultan și independent. Acest lucru nu este niciodată exact adevărat. De exemplu, un solid cu doi fononi identici nu are exact de două ori energia de excitare a unui solid cu un singur fonon, pentru că vibrația cristalului este ușor anarmonică. Cu toate acestea, în multe materiale, excitațiile elementare sunt foarte aproape de a fi independente. Prin urmare, ca un punct de plecare, ele sunt tratate ca entități independente, libere, iar apoi corecțiile sunt incluse prin interacțiunile dintre excitațiile elementare, cum ar fi „împrăştierea fonon-fonon”.

Prin urmare, folosind cvasiparticuler / excitaţii colective, în loc de a analiza 1018 particule, este nevoie de a face cu doar o mână de excitaţii elementare oarecum independente. Prin urmare, este o abordare foarte eficientă pentru a simplifica problema multi-corp, în mecanica cuantică. Dar această abordare nu este utilă pentru toate sistemele: În materialele puternic corelate, excitațiile elementare sunt atât de departe de a fi independent, încât nu este chiar util ca punct de plecare să fie tratate ca independente.

Distincția între cvasiparticuler și excitații colective

De obicei, o excitație elementară este numită „cvasiparticulă” când este implicat un fermion și „excitație colectivă” în cazul unui boson. Cu toate acestea, nu este universal acceptată o distincție exactă.

Există o diferență în modul în care cvasiparticulele și excitaţiile colective sunt intuitiv imaginate. O cvasiparticulă este de obicei considerată ca fiind ca o „particulă îmbrăcată”: Aceasta este construită în jurul unei particule reale la „bază”, dar comportamentul particulei este afectat de mediul înconjurător. Un exemplu standard este „cvasiparticula electronului”: O particulă electron adevărată, într-un cristal, se comportă ca și cum ar avea o masă diferită. Pe de altă parte, o excitație colectivă este, de obicei, imaginată a fi o reflectare a comportamentului agregat al sistemului, cu o singură particulă reală la „bază”. Un exemplu standard este fononul, care caracterizează mișcarea de vibrație a fiecărui atom din cristal.

Cu toate acestea, aceste două vizualizări lasă loc la unele ambiguităţi. De exemplu, un magnon într-un feromagnet poate fi considerat într-unul din două moduri perfect echivalente: (a) ca un defect mobil (un spin direcţionat greşit), într-o aliniere perfectă a momentelor magnetice, sau (b) ca un cuantum a unei unde de spin colective care implică precesia multor spini. In primul caz, magnonul este conceput ca o cvasiparticulă, în al doilea caz ca o excitație colectivă. Cu toate acestea, atât (a) cât și (b) sunt descrieri echivalente și corecte. După cum arată acest exemplu, distincția intuitivă între o cvasiparticulă și o excitație colectivă nu este deosebit de importantă sau fundamentală.

Problemelor care decurg din natura colectivă a cvasiparticulelor au fost, de asemenea, discutate în filosofia științei, în special în ceea ce privește condițiile de identitate ale cvasiparticulelor și dacă acestea ar trebui să fie considerate „reale” de către standardele realismului referenţial, de exemplu.

Efectul asupra proprietăților colective

Prin investigarea proprietăților cvasiparticulelor individuale, este posibil să se obțină o mare cantitate de informații despre sisteme de energie redusă, inclusiv proprietățile de curgere și capacitatea termică.

În exemplul capacităţii termice, un cristal poate stoca energie prin formarea de fononi, și / sau formarea excitonilor, și / sau formarea de plasmoni, etc. Fiecare dintre acestea are o contribuție separată la capacitatea termică totală.

Istoria

Ideea de cvasiparticule îşi are originea în teoria lui Lev Landau a lichidelor Fermi, care a fost inițial inventată pentru a studia heliu-3 lichid. Pentru aceste sisteme există o similitudine puternică între noțiunea de cvasi-particule și particule îmbrăcate în teoria câmpului cuantic. Dinamica teoriei lui Landau este definită de o ecuație cinetică de tip mediu-câmp. O ecuație similară, ecuația Vlasov, este valabilă pentru o plasmă în așa-numita aproximare a plasmei. În apropierea plasmei, particulele încărcate sunt considerate a fi în mișcare în câmpul electromagnetic generat în mod colectiv de către toate celelalte particule, și ciocnirile dure între particulele încărcate sunt neglijate. Când o ecuație cinetică de tip mediu-câmp este o descriere validă de prim-ordin a unui sistem, corecțiile de ordinul al doilea determină producerea de entropie, și, în general, ia forma unui termen de coliziuni de tip Boltzmann, în care figurează doar coliziuni între particule virtuale. Cu alte cuvinte, orice tip de ecuaţie cinetică mediu-câmp și, de fapt, orice teorie mediu-câmp, implică un concept de cvasi-particulă.

Traducere din Wikipedia

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *