Tyto Kvazičástice nebo Kvazičástice , jsou subjekty, pojaté jako částice a usnadnit popis částicových systémů, zejména ve fyzice pevné . Mezi nejznámější rozlišujeme díry elektronů, které lze považovat za „nedostatek elektronů“, a fonony , které popisují „balíčky vibrací“.
Pevné látky jsou tvořeny třemi typy částic: elektrony , protony a neutrony. Ačkoli nejsou jejich součástí, kvazi-částice jsou spíše výsledkem interakcí v pevné látce. Nemůžeme tedy očekávat, že na rozdíl od částic (elektrony, protony, neutrony) detekujeme kvazi-částice ve vakuu.
Popis pohybu částic v pevné látce je obtížný. Každý elektron a každý proton interaguje do určité míry se všemi ostatními elektrony a protony v systému (podle Coulombova zákona ), což enormně komplikuje popis pohybu částic v pevné látce (viz problém na N-těle ) . Na druhou stranu je snadné popsat pohyb částice, která neinteraguje s žádnou jinou částicou v pevné látce. V klasické mechanice by se pohyboval po přímce a v kvantové mechanice by se pohyboval jako superpozice rovinných vln . Je proto naší výhodou, popsat fyziku pevných látek, použít pohyb fiktivních kvazi-částic , které fungují jako částice bez interakce, k popisu pohybu skutečných částic v pevných látkách.
Kvazi-částice jsou proto pouze matematickým nástrojem, který umožňuje snadněji popsat pohyb a interakci částic v pevné látce.
Hlavní motivace pro použití kvazičástic vychází ze skutečnosti, že je prakticky nemožné popsat všechny částice makroskopického systému. Například v jednom zrnku písku (0,1 mm ) je již 10 17 nukleonů a 10 18 elektronů. Každý z nich je přitahován a odpuzován všemi ostatními Coulombovým zákonem. K popisu takového systému v kvantové mechanice používáme vlnovou funkci, která závisí na poloze všech částic, které spolu interagují. Pokud jde o problém elektronů v zrnu písku, chceme-li přímo vyřešit Schrödingerovu rovnici, která popisuje systém, znamená to řešení parciálních diferenciálních rovnic v rozměrech 3 × 10 18 , tři na každou částici systému pro každou z složky polohy částice, což je v praxi nemožné vyřešit.
Nejprve můžeme problém zjednodušit tím, že jako každý kvantový systém má náš systém základní stav, stav, kdy všechny částice mají minimum energie a množství vzrušených stavů energie větších než základní stav. V mnoha případech jsou relevantní pouze nízkoenergetické excitované stavy. Ve skutečnosti, jak je uvedeno v Boltzmannově rozdělení , velmi vysoké tepelné fluktuace energie mají velmi malou šanci nastat při jakékoli dané teplotě.
Kvazi-částice jsou druhem nízkoenergetického buzení. Například krystal ochlazený na absolutní nulu je v základním stavu. Pokud k tomuto krystalu přidáme fonon (tím, že vibruje na rezonanční frekvenci ), bude vzrušen do stavu nízké energie. V tomto případě je fonon kvazi-částice. Obecně lze říci, že nízkoenergetický stav může mít několik kvazičástic.
Když je materiál charakterizován jako mající několik kvazi-částic, předpokládá se, že jsou navzájem nezávislé, že můžeme systém stejně snadno popsat jako superpozici excitací. To není v zásadě pravda. Například pevná látka se dvěma identickými fonony nemá ve srovnání se základní úrovní přesně dvojnásobnou energii krystalu s jediným fononem, protože vibrace krystalu jsou anharmonické . V mnoha materiálech je však elementární buzení téměř nezávislé. Můžeme tedy jako první aproximaci považovat excitace přivedené do základního systému za nezávislé, abychom poté přinesli korekční faktory do nalezeného řešení, jako v případě rozptylu fonon-fonon.
To výrazně zjednodušuje problém s N-tělem. Místo řešení problému s proměnnou 3 × 10 18 stačí vyřešit problém několika více či méně nezávislými interakcemi. Tuto techniku však nelze vždy použít. V případě silně korelovaných systémů nelze určit, že buzení jsou nezávislá, a výsledky získané touto metodou se velmi liší od výsledků získaných v praxi.
Studiem jednotlivých vlastností kvazičástic je možné získat informace o nízkoenergetických systémech, jako je specifické teplo : Krystal může uchovávat energii ve formě fononů , excitonů a / nebo plazmonů . Každé z těchto buzení individuálně přispívá specifickým teplem.
Myšlenka na kvazičástice pochází z Fermiho teorie tekutin od Leva Landaua . Původně je zavedli ke studiu kapalného hélia-3 . V případě helia-3 existuje velká podobnost mezi pojmem kvazi-částic a excitacemi kvantového elementárního pole přítomného v teorii kvantových polí . Základy Landauovy teorie jsou definovány kinetickou rovnicí v rámci teorie středních polí. Vlassov rovnice , platí pro plazmatu v plazmě aproximace, je podobná druhé. Při aproximaci plazmy se nabité částice pohybují v elektromagnetickém poli tvořeném všemi částicemi, přičemž zanedbávají takzvané `` tvrdé`` srážky mezi částicemi. Když kinetická rovnice středního pole správně popisuje systém prvního řádu, pak se k určení entropie systému použijí opravy druhého řádu. Termín druhého řádu má obvykle podobu Boltzmannova kolizního termínu , ve kterém se objevují pouze takzvané `` vzdálené`` srážky mezi virtuálními částicemi, jinými slovy kvazi-částice.
| Kvazi-částice | Význam |
|---|---|
| Bipolaron | Propojený pár dvou polaronů |
| Obvinění | Zasahuje v situacích oddělení spin-náboje |
| Vzrušující | Vázané stavy volného elektronu a díry |
| Fluxon | Kvantum elektromagnetického toku |
| Magnon | Koherentní buzení elektronů se točí v materiálu |
| Phonon | Vibrační režimy uvnitř krystalové struktury |
| Plasmon | Koherentní buzení plazmy |
| Polaron | Kvazičásticových skládá z elektronu lokalizované spojena s oblasti o polarizace |
| Polariton | Směsi fotonů a jiných kvazi-částic |
| Roton | Elementární stav buzení v supratekutém heliu 4 |
| Soliton | Osamělá vlna, která se šíří bez zkreslení v nelineárním a disperzním médiu |
| Otočte | Zasahuje v situacích oddělení spin-náboje |
| Elektronová díra (díra) | Absence elektronu ve valenčním pásmu |