• 準粒子

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    準粒子

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    在物理學中,準粒子集體激發是密切相關的涌現現象,當一個微觀復雜系統(如固體)表現得好像它在真空中包含不同的弱相互作用粒子時就會出現。

    例如,當電子穿過半導體時,它的運動會因與其他電子和原子核的相互作用而以復雜的方式受到干擾。 電子的行為就好像它具有不同的有效質量,在真空中不受干擾地行進。 這樣的電子稱為電子準粒子。 在另一個例子中,電子在半導體價帶或金屬空穴帶中的聚集運動表現得好像材料中含有帶正電的準粒子,稱為電子空穴。 其他準粒子或集體激發包括聲子(一種源自固體中原子振動的準粒子)和等離子體激元(一種源自等離子體振蕩的粒子)。

    如果這些現象與費米子有關,則通常稱為準粒子;如果與玻色子有關,則稱為集體激發,盡管精確的區別并未得到普遍認同。 因此,電子和電子空穴(費米子)通常被稱為準粒子,而聲子和等離子體(玻色子)通常被稱為集體激發。

    準粒子概念在凝聚態物理學中很重要,因為它可以簡化量子力學中的多體問題。

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    總體介紹

    固體僅由三種粒子構成:電子、質子和中子。 準粒子不是這些; 相反,它們中的每一個都是在固體內部發生的突發現象。 因此,雖然單個粒子(電子或質子或中子)很可能漂浮在太空中,但準粒子只能存在于相互作用的多粒子系統(主要是固體)中。

    固體中的運動極其復雜:每個電子和質子都被固體中的所有其他電子和質子(它們本身可能在運動)推動和拉動(根據庫侖定律)。 正是這些強相互作用使得預測和理解固體的行為變得非常困難(參見多體問題)。 另一方面,非相互作用的經典粒子的運動相對簡單; 它會以恒定速度沿直線移動。 這就是準粒子概念的動機:固體中真實粒子的復雜運動可以在數學上轉化為想象的準粒子的簡單得多的運動,這些準粒子的行為更像非相互作用的粒子。

    總之,準粒子是一種簡化固體描述的數學工具

    與多體量子力學的關系

    準粒子的主要動機是幾乎不可能直接描述宏觀系統中的每個粒子。 例如,幾乎看不見(0.1 毫米)的沙粒包含大約 1017 個原子核和 1018 個電子。 這些中的每一個都根據庫侖定律相互吸引或排斥。 原則上,薛定諤方程準確地預測了這個系統的行為。 但本例中的薛定諤方程是 3×1018 維向量空間上的偏微分方程 (PDE)——每個粒子的每個坐標 (x,y,z) 為一維。 直接直接地嘗試求解此類 PDE 在實踐中是不可能的。 在二維空間上求解 PDE 通常比在一維空間上求解 PDE 困難得多(無論是解析還是數值); 在 3 維空間上求解 PDE 更加困難; 因此,用直接的方法在 3×1018 維空間上求解 PDE 是完全不可能的。

    一個簡化因素是,作為一個整體的系統,就像任何量子系統一樣,有一個基態和各種激發態,在基態之上的能量越來越高。

    準粒子

    在許多情況下,只有能量相當接近基態的低位激發態才是相關的。 發生這種情況是因為玻爾茲曼分布,這意味著在任何給定溫度下都不太可能發生非常高能量的熱波動。

    準粒子和集體激發是一種低位激發態。 例如,xxx為零的晶體處于基態,但如果將一個聲子添加到晶體中(換句話說,如果使晶體在特定頻率下輕微振動),則晶體現在處于低 臥興奮狀態。 單個聲子稱為基本激發。 更一般地,低位激發態可能包含任意數量的基本激發。

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    1. 準粒子
    2. 概覽
    3. 總體介紹
    4. 與多體量子力學的關系

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