簡介
編輯朗道-費米流體理論(也稱為 Landau's Fermi-liquid theory)是相互作用費米子的理論模型,描述了大多數金屬在足夠低的溫度下的正常狀態。 多體系統的粒子之間的相互作用不需要很小。 費米液體的唯象理論由蘇聯物理學家列夫·達維多維奇·朗道于 1956 年提出,后來由阿列克謝·阿布里科索夫和伊薩克·哈拉特尼科夫利用圖解微擾理論發展而來。 該理論解釋了為什么相互作用費米子系統的某些性質與理想費米氣體(即非相互作用費米子)的性質非常相似,以及為什么其他性質不同。
朗道-費米流體物理理論已成功應用的重要例子是大多數金屬中的電子和液氦-3。 液氦 3 在低溫下是一種費米液體(但還不足以處于超流相)。 Helium-3 是氦的同位素,每個原子有 2 個質子、1 個中子和 2 個電子。 因為原子核內部有奇數個費米子,所以原子本身也是費米子。 普通(非超導)金屬中的電子也形成費米液體,原子核中的核子(質子和中子)也是如此。 釕酸鍶顯示出費米液體的一些關鍵特性,盡管它是一種強相關材料,并與銅酸鹽等高溫超導體進行了比較。
描述
編輯Landau 理論背后的關鍵思想是絕熱性和泡利不相容原理的概念。 考慮一個非相互作用的費米子系統(費米氣體),并假設我們緩慢地打開相互作用。 Landau 認為,在這種情況下,費米氣體的基態將絕熱地轉變為相互作用系統的基態。
根據泡利不相容原理,費米氣體的基態 Ψ 0 {\displaystyle \Psi _{0}} 由費米子組成,費米子占據對應于動量 p <; 的所有動量態。 p F {\displaystyle p<p_{\rm {F}}} 所有更高的動量狀態都未被占據。 當相互作用打開時,對應于占據狀態的費米子的自旋、電荷和動量保持不變,而它們的動力學性質,例如它們的質量、磁矩等,被重新歸一化為新值。 因此,費米氣體系統和費米液體系統的基本激發之間存在一一對應關系。 在費米液體的背景下,這些激發被稱為準粒子。 Landau 準粒子是長壽命激發,其壽命 τ {\displaystyle \tau } 滿足 ? τ ? ? p {\displaystyle {\frac {\hbar }{\tau }}\ll \ epsilon _{\rm {p}}} 其中 ε p {\displaystyle \epsilon _{\rm {p}}} 是準粒子能量(從費米能量測量)。 在有限溫度下,ε p {\displaystyle \epsilon _{\rm {p}}} 與熱能 k B T {\displaystyle k_{\rm {B}}T} 數量級相同,并且 朗道準粒子的條件可以重新表述為 ? τ ? k B T {\displaystyle {\frac {\hbar }{\tau }}\ll k_{\rm {B}}T} 。 對于這個系統,格林函數可以寫成(在它的極點附近)形式 G ( ω , p ) ≈ Z ω + μ ? ? ( p ) {\displaystyle G(\omega ,p)\approx {\frac {Z}{\omega +\mu -\epsilon (p)}}} 其中 μ {\displaystyle \mu } 是化學勢,而 ? ( p ) {\displaystyle \epsilon (p)} 是對應于給定動量狀態的能量。
Z {\displaystyle Z} 的值稱為準粒子留數,是朗道-費米流體理論的一個非常典型的特征。 系統的光譜函數可以通過角分辨光電子能譜 (ARPES) 直接觀察到,并且可以寫成(在低激發極限下)形式: A ( k , ω ) = Z δ ( ω ? v F k ‖ ) {\displaystyle A(\mathbf {k} ,\omega )=Z\delta (\omega -v_{\rm { F}}k_{\|})} 其中 v F {\displaystyle v_{\rm {F}}} 是費米速度。 在物理上,我們可以說傳播的費米子與其周圍環境相互作用,相互作用的凈效應是使費米子表現得像修飾費米子,從而改變其有效質量和其他動力學特性。 這些打扮的費米子就是我們所認為的準粒子。 費米液體的另一個重要特性與電子的散射截面有關。
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