Большой энциклопедический словарь:
КВАЗИЧАСТИЦЫ — понятие квантовой теории систем многих взаимодействующих частиц (кристаллов, жидкостей, плазмы, ядерной материи и т. д.). Квазичастицы представляют собой кванты элементарных возбуждений системы. Подобно обычным частицам, квазичастицы могут быть охарактеризованы энергией, импульсом (квазиимпульсом) — спином и т. д. Приближенно совокупность взаимодействующих между собой частиц оказывается аналогичной по свойствам идеальному газу квазичастиц. Существуют квазичастицы-бозоны (кванты звуковых волн — фононы, спиновых волн — магноны и др.) и квазичастицы-фермионы (электроны проводимости и дырки).
Большая советская энциклопедия:
Квазичастицы
(от квази (См. Квази...)... и частицы)
одно из фундаментальных понятий теории конденсированного состояния вещества, в частности теории твёрдого тела. Теоретическое описание и объяснение свойств конденсированных сред (твёрдых тел и жидкостей), исходящее из свойств составляющих их частиц (атомов, молекул), представляет большие трудности, во-первых, потому, что число частиц огромно (~ 1022 частиц в 1 см3), и, во-вторых, потому, что они сильно взаимодействуют между собой. Из-за взаимодействия частиц полная энергия такой системы, определяющая многие её свойства, не является суммой энергий отдельных частиц, как в случае идеального газа. Частицы конденсированной среды подчиняются законам квантовой механики; поэтому свойства совокупности частиц, составляющих твёрдое тело (или жидкость), могут быть поняты лишь на основе квантовых представлений. Развитие квантовой теории конденсированных сред привело к созданию специальных физических понятий, в частности к концепции К. — элементарных возбуждений всей совокупности взаимодействующих частиц. Особенно плодотворные результаты концепция К. дала в теории кристаллов и жидкого гелия (См. Гелий).
Свойства квазичастиц. Оказалось, что энергию E0 кристалла (или жидкого гелия) можно приближённо считать состоящей из двух частей: энергии основного (невозбуждённого) состояния E0 (наименьшая энергия, соответствующая состоянию системы при абсолютном нуле температуры) и суммы энергий E элементарных (несводимых к более простым) движений (возбуждений):
E = E0 +
Индекс характеризует тип элементарного возбуждения, n — целые числа, показывающие число элементарных возбуждений типа .
Т. о., энергию возбуждённого состояния кристалла (гелия) оказалось возможным записать так же, как и энергию идеального газа, в виде суммы энергий. Однако в случае газа суммируется энергия его частиц (атомов и молекул), а в случае кристалла суммируются энергии элементарных возбуждений всей совокупности атомов (отсюда термин «К.»). В случае газа, состоящего из свободных частиц, индекс обозначает импульс р частицы, E — её энергию E = p2/2m, m — масса частицы), n — число частиц, обладающих импульсом р. Скорость = p/m.
Элементарное возбуждение в кристалле также характеризуют вектором р, свойства которого похожи на импульс, его называют квазиимпульсом. Энергия E элементарного возбуждения зависит от квазиимпульса, но эта зависимость E(p) носит не такой простой характер, как в случае свободной частицы. Скорость распространения элементарного возбуждения также зависит от квазиимпульса и от вида функции E(p). В случае К. индекс включает в себя обозначение типа элементарного возбуждения, поскольку в конденсированной среде возможны элементарные возбуждения, разные по своей природе (аналог — газ, содержащий частицы различного сорта).
Введение для элементарных возбуждений термина «К.» вызвано не только внешним сходством в описании энергии возбуждённого состояния кристалла (или жидкого гелия) и идеального газа, но и глубокой аналогией между свойствами свободной (квантовомеханической) частицы и элементарным возбуждением совокупности взаимодействующих частиц, основанной на корпускулярно-волновом дуализме (См. Корпускулярно-волновой дуализм). Состояние свободной частицы в квантовой механике описывается монохроматической волной (см. Волны де Бройля), частота которой , а длина волны p (E и — энергия и импульс свободной частицы, — Планка постоянная). В кристалле возбуждение одной из частиц (например, поглощение одним из атомов Фотона), приводящее из-за взаимодействия (связи) атомов к возбуждению соседних частиц, не остаётся локализованным, а передаётся соседям и распространяется в виде волны возбуждений. Этой волне ставится в соответствие К. с квазиимпульсом и энергией E = h(k) (k — волновой вектор, длина волны = 2/k).
Зависимость частоты от волнового вектора к позволяет установить зависимость энергии К. от квазиимпульса. Эта зависимость E = E (p) называют законом дисперсии, является основной динамической характеристикой К., в частности определяет ее скорость . Знание закона дисперсии К. позволяет исследовать движение К. во внешних полях, К., в отличие от обычной частицы, не характеризуется определённой массой, Однако, подчёркивая сходство К. и частицы, иногда удобно вводить величину, имеющую размерность массы. Её называют эффективной массой mэф. (как правило, эффективная масса зависит от квазиимпульса и от вида закона дисперсии).
Всё сказанное позволяет рассматривать возбуждённую конденсированную среду как газ К. Сходство между газом частиц и газом К. проявляется также в том, что для описания свойств газа К. могут быть использованы понятия и методы кинетической теории газов, в частности говорят о столкновениях К. (при которых имеют место специфические законы сохранения энергии и квазиимпульса), длине свободного пробега, времени свободного пробега и т.п. Для описания газа К. может быть использовано кинетическое уравнение Больцмана. Одно из важных отличительных свойств газа К. (по сравнению с газом обычных частиц) состоит в том, что К. могут появляться и исчезать, т. е. число их не сохраняется. Число К. зависит от температуры. При Т = 0 К квазичастицы отсутствуют. Для газа К. как квантовой системы можно определить энергетический спектр (совокупность энергетических уровней) и рассматривать его как энергетический спектр кристалла или жидкого гелия. Разнообразие типов К. велико, т.к. их характер зависит от атомной структуры среды и взаимодействия между частицами. В одной и той же среде может существовать несколько типов К.
К., как и обычные частицы, могут иметь собственный механический момент — Спин. В соответствии с его величиной (выражаемой целым или полуцелым числом h) К. можно разделить на Бозоны и Фермионы. Бозоны рождаются и исчезают поодиночке, фермионы рождаются и исчезают парами.
Для К.-фермионов распределение по энергетическим уровням определяется функцией распределения Ферми, для К.-бозонов — функцией распределения Бозе. В энергетическом спектре кристалла (или жидкого гелия), который является совокупностью энергетических спектров всех возможных в них типов К., можно выделить фермиевскую и бозевскую «ветви». В некоторых случаях газ К. может вести себя и как газ, подчиняющийся Больцмана статистике (См. Больцмана статистика) (например, газ электронов проводимости и дырок в невырожденном полупроводнике (См. Полупроводники), см. ниже).
Теоретическое объяснение наблюдаемых макроскопических свойств кристаллов (или жидкого гелия), основанное на концепции К., требует знания закона дисперсии К., а также вероятности столкновений К. друг с другом и с дефектами в кристаллах (См. Дефекты в кристаллах). Получение численных значений этих характеристик возможно только путём применения вычислительной техники. Кроме того, существенное развитие получил полуэмпирический подход: количественные характеристики К. определяются из сравнения теории с экспериментом, а затем служат для расчёта характеристик кристаллов (или жидкого гелия).
Для определения характеристик К. используются рассеяние нейтронов, рассеяние и поглощение света, Ферромагнитный резонанс и Антиферромагнитный резонанс, ферроакустический резонанс, изучаются свойства металлов и полупроводников в сильных магнитных полях, в частности Циклотронный резонанс, Гальваномагнитные явления и т.д.
Концепция К. применима только при сравнительно низких температурах (вблизи основного состояния), когда свойства газа К. близки к свойствам идеального газа (См. Идеальный газ). С ростом числа К. возрастает вероятность их столкновений, уменьшается время свободного пробега К. и, согласно неопределённостей соотношению (См. Неопределённостей соотношение), увеличивается неопределённость энергии К. Само понятие К. теряет смысл. Поэтому ясно, что с помощью К. нельзя описать все движения атомных частиц в конденсированных средах. Например, К. непригодны для описания самодиффузии (случайного блуждания атомов по кристаллу).
Однако и при низких температурах с помощью К. нельзя описать все возможные движения в конденсированной среде. Хотя, как правило, в элементарном возбуждении принимают участие все атомы тела, оно микроскопично: энергия и импульс каждой К. — атомного масштаба, каждая К. движется независимо от других. Атомы и электроны в конденсированной среде могут принимать участие в движении совершенно др. природы — макроскопическом по своей сути (гидродинамическом) и в то же время не теряющем своих квантовых свойств. Примеры таких движении: сверхтекучее движение в гелии-II (см. Сверхтекучесть) и электрический ток в сверхпроводниках (см. Сверхпроводимость). Их отличительная черта — строгая согласованность (когерентность) движения отдельных частиц.
Представление о К. получило применение не только в теории твёрдого тела и жидкого гелия, но и в др. областях физики: в теории атомного ядра (см. Ядерные модели), в теории плазмы (См. Плазма), в астрофизике и т.п.
Фононы. В кристалле атомы совершают малые колебания, которые в виде волн распространяются по кристаллу (см. Колебания кристаллической решётки). При низких температурах Т главную роль играют длинноволновые акустические колебания — обычные звуковые волны: они обладают наименьшей энергией. К., соответствующие волнам колебаний атомов, называют Фононами. Фононы — Бозоны; их число при низких температурах растет пропорционально T3. Это обстоятельство, связанное с линейной зависимостью энергии фонона ЕФ от его квазиимпульса р при достаточно малых квазиимпульсах ЕФ = sp, где s — скорость звука), объясняет тот факт, что Теплоёмкость кристаллов (неметаллических) при низких температурах пропорциональна T3.
Фононы в сверхтекучем гелии. Основное состояние гелия напоминает предельно вырожденный Бозе-газ. Как во всякой жидкости, в гелии могут распространяться звуковые волны (волны колебаний плотности). Звуковые волны — единственный тип микроскопического движения возможного в гелии вблизи основного состояния. Так как в звуковой волне частота пропорциональна волновому вектору k: = sk (s— скорость звука), то соответствующие К. (фононы) имеют закон дисперсии E = sp. По мере увеличения импульса кривая E = E (p) отклоняется от линейного закона. Фононы гелия также подчиняются статистике Бозе. Представление об энергетическом спектре гелия как о фононном спектре не только описывает его термодинамические свойства (например, зависимость теплоёмкости гелия от температуры), но и объясняет явление сверхтекучести.
Магноны. В ферро- и антиферромагнетиках при Т = 0 К спины атомов строго упорядочены. Состояние возбуждения магнитной системы связано с отклонением спина от «правильного» положения. Это отклонение не локализуется на определенном атоме, а переносится от атома к атому. Элементарное возбуждение магнитной системы представляет собой волну поворотов спина (спиновая волна), а соответствующая ей К. называют магноном. Магноны — бозоны. Энергия магнона квадратично зависит от квазиимпульса (в случае малых квазиимпульсов). Это находит отражение в тепловых и магнитных свойствах ферро- и Антиферромагнетиков (например, при низких температурах отклонение магнитногомомента ферромагнетика (См. Ферромагнетики) от насыщения ~ Т3/2). Высокочастотные свойства ферро- и антиферромагнетиков описываются в терминах «рождения» магнонов.
Экситон Френкеля представляет собой элементарное возбуждение электронной системы отдельного атома или молекулы, которое распространяется по кристаллу в виде волны. Экситон, как правило, имеет весьма значительную (по атомным масштабам) энергию ~ нескольких эв. Поэтому вклад экситонов в тепловые свойства твёрдых тел мал. Экситоны проявляют себя в оптических свойствах кристаллов. Обычно среднее число экситонов очень мало. Поэтому их можно описывать классической статистикой Больцмана.
Электроны проводимости и дырки. В твёрдых диэлектриках (См. Диэлектрики) и полупроводниках (См. Полупроводники) наряду с экситонами существуют элементарные возбуждения, обусловленные процессами, аналогичными ионизации атома. В результате такой «ионизации» возникают две независимо распространяющиеся К.: Электрон проводимости и Дырка (недостаток электрона в атоме). Дырка ведёт себя как положительно заряженная частица, хотя её движение представляет собой волну электронной перезарядки, а не движение положительного иона. Электроны проводимости и дырки — фермионы. Они являются носителями электрического тока в твёрдом теле. Полупроводники, у которых энергия «ионизации» мала, всегда содержат заметное количество электронов проводимости и дырок. Проводимость полупроводников падает с понижением температуры, т.к. число электронов и дырок при этом уменьшается.
Электрон и дырка, притягиваясь друг к другу, могут образовать экситон Мотта (квазиатом), который проявляет себя в оптических спектрах кристаллов водородоподобными линиями поглощения (см. Экситон).
Поляроны. Взаимодействие электрона с колебаниями решётки приводит к её поляризации вблизи электрона. Иногда взаимодействие электрона с кристаллической решёткой настолько сильно, что движение электрона по кристаллу сопровождается волной поляризации. Соответствующая К. называется Поляроном.
Электроны проводимости металла, взаимодействующие друг с другом и с полем ионов кристаллической решётки, эквивалентны газу К. со сложным законом дисперсии. Заряд каждой К. равен заряду свободного электрона, а спин равен 1/2. Их динамические свойства, обусловленные законом дисперсии, существенно отличаются от свойств обычных свободных электронов. Электроны проводимости — фермионы. В пространстве квазиимпульсов при Т = 0 К они заполняют область, ограниченную Ферми поверхностью. Возбуждение электронов проводимости означает появление пары: электрона «над» поверхностью Ферми и свободного места (дырки) «под» поверхностью. Электронный газ сильно вырожден не только при низких, но и при комнатных температурах (см. Вырожденный газ). Это обстоятельство определяет температурную зависимость большинства характеристик металла (в частности, линейную зависимость теплоёмкости от температуры при Т 0).
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964; Займан Дж., Принципы теории твёрдого тела, пер. с англ., М., 1966; Лифшиц И. М., Квазичастицы в современной физике, в сборнике: В глубь атома, М., 1964; Рейф Ф., Сверхтекучесть и «Квазичастицы», в сборнике: Квантовая макрофизика, пер. с англ., М., 1967.
М. И. Каганов.
Орфографический словарь Лопатина:
орф.
квазичастицы, -иц, ед. -ица, -ы, тв. -ей
Физический энциклопедический словарь:
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)
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020