КВАЗИЧАСТИЦЫ

КВАЗИЧАСТИЦЫ

       

элементарные возбуждения конденсиров. среды (тв. тела, жидкого гелия), ведущие себя в нек-рых отношениях как квант. ч-цы. Теор. описание и объяснение св-в конденсиров. сред, исходящее из св-в составляющих их молекул, атомов, ионов и эл-нов, представляет большие трудности, во-первых, потому, что число ч-ц огромно (1022—1023 в 1 см3), а во-вторых, потому, что ч-цы сильно взаимодействуют между собой. Из-за вз-ствия ч-ц полная энергия конденсиров. среды не есть сумма энергий отд. ч-ц (как в идеальном газе). Развитие квант. теории тв. тела привело к концепции К., к-рая оказалась особенно плодотворной для описания свойств кристаллов, квантовых жидкостей (в частности, жидкого гелия), а в дальнейшем при построении яд. моделей, описании плазмы и т. д.

Возбуждённое состояние, возникающее в системе мн. ч-ц (напр., в результате поглощения фотона), не остаётся локализованным и распространяется в конденсиров. среде в виде волны, в формировании к-рой, вследствие вз-ствия ч-ц между собой, участвуют все ч-цы системы. Такие волны наз. элем. возбуждениями. В силу корпускулярно-волнового дуализма элем. возбуждения могут описываться как К., обладающая квазиимпульсом p==hk

и энергией ?=hw(k),

где w — частота, k — волновой вектор.

В одной и той же системе могут существовать К. разных типов, в зависимости от хар-ра вз-ствия и состава ч-ц. Описание конденсиров. среды с помощью понятия К. основано на том, что при низких темп-pax энергию возбуждения системы можно считать суммой энергии отдельных К., т. е. рассматривать возбуждённую систему как идеальный газ К. Энергия ? системы может быть представлена в виде:

?=?0+Siania?ia,

где ?0 — энергия осн. состояния (при T=0K), ?ia — энергия К. типа i в энергетич. состоянии a, nia — число К. типа i в состоянии a (числа заполнения). В кристаллах ?i явл. ф-цией квазиимпульса р, наз. дисперсии законом. Для К. используются понятия, характеризующие обычные ч-цы: скорость v=д?(p)/дp , эффективную массу m* (р); говорят об их столкновениях, длине свободного пробега, ср. времени между столкновениями и т. п. В нек-рых задачах для К. применяются кинетические уравнения Больцмана. Как и обычные ч-цы, К. могут обладать спином, и следовательно, различают К.— бозоны и К.— фермионы. К., энергия к-рых значительно превосходит kТ, ведут себя как классич. газ и подчиняются статистике Больцмана (однако число ч-ц такого газа зависит от температуры).

Осн. особенностью идеального газа К. (в отличие от газа обычных ч-ц) явл. несохранение числа К.: Они могут образовываться и исчезать; К. имеют конечное время жизни. Число К. в данной системе зависит от темп-ры Т: при повышении Т число К. растёт. Трактовка св-в конденсиров. среды как св-в идеального газа К. плодотворна лишь до тех пор, пока их число мало и их вз-ствие можно учитывать, как возмущение, а это возможно при сравнительно низких темп-рах.

В конденсиров. средах возможны разл. типы возбуждений и, следовательно, К. Колебания атомов (или ионов) около положения равновесия распространяются по кристаллу в виде волн (см. КОЛЕБАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ). Соответствующие К. наз. фононами. Единств. тип движения атомов в сверхтекучем гелии — звук. волны (волны колебаний плотности). Соответствующие К. наз. фононами и ротонами; все они — бозоны. Колебания магн. моментов атомов в магнитоупорядоченных средах представляют собой волны поворотов спинов (см. СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ). Соответствующая К.— магнон — также бозон. В полупроводниках К. являются эл-ны проводимости и дырки (обе — фермионы). Взаимодействуя друг с другом и с др. К., эл-ны и дырки могут образовывать более сложные К. (экситон Ванье — Мотта, полярон, фазон, флуктуон).

К возбуждённым состояниям эл-нов в металлах и атомов в жидком гелии понятие «К.» применяют двояко. Иногда сами эл-ны или атомы 3Не называют К., подчёркивая этим вз-ствие ч-ц друг с другом в процессе их движения; при такой трактовке число К. равно числу ч-ц и не изменяется с темп-рой (см. ФЕРМИ-ЖИДКОСТЬ). Чаще К. называют только элем. возбуждения ферми-жидкости, к-рые характеризуются появлением эл-на или атома 3Не вне Ферми-поверхности и дырки внутри неё. При последней трактовке К.— фермионы рождаются только парами — ч-ца и дырка, и их число не сохраняется.

Св-ва К. зависят от структуры конденсиров. тел. При изменении структуры тела (напр., при фазовом переходе) могут изменяться и его К. Обычно среди К. данного тела особенно чувствительны те К., существование к-рых связано с вз-ствиями, ответственными за данный фазовый переход. Хотя концепция К. пригодна гл. обр. для низких темп-р, именно при низких темп-pax существуют движения ч-ц, описать к-рые с помощью К. нельзя. При низких темп-pax атомы и эл-ны конденсиров. среды могут принимать участие в движениях совершенно другой природы — макроскопических но своей сути и в то же время квантовых. Примеры таких движений — сверхтекучее движение в жидком гелии (см. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ), электрич. ток в сверхпроводниках (см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). Их особенность — строгая согласованность (когерентность) движения отд. ч-ц. Незатухающий хар-р когерентных движений обусловлен св-вами К. в сверхпроводниках и сверхтекучем гелии.

Теория К.— один из разделов квантовой теории многих частиц. Для К.— бозонов осн. состояние системы с мин. энергией ?(Т=0K) — вакуум К. Для К.— фермионов (напр., эл-нов) вакуумом, в силу Паули принципа, служит целиком заполненная при Т=0K поверхность Ферми. Образование К. при повышении темп-ры соответствует рождению ч-ц, вне поверхности Ферми с энергией ?(р)>?F и дырок под поверхностью Ферми — свободных состояний с энергией ?(р)дырка. Рождение К., их исчезновение и взаимопревращения при вз-ствиях определяют эволюцию системы. Каждому типу К. отвечает свой вакуум и свой закон дисперсии ?(р). Естественным аппаратом для описания системы К. служит представление вторичного квантования. Для описания таких систем разработана диаграммная техника, сходная с техникой Фейнмана диаграмм.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.