준입자

Quasiparticle

물리학에서 준입자와 집단 들뜸은 고체와 같은 미시적으로 복잡한 시스템이 진공에서 서로 다른 약하게 상호작용하는 입자를 포함하는 것처럼 행동할 때 일어나는 밀접한 관련이 있는 출현 현상이다.

예를 들어, 전자가 반도체를 통과할 때, 그 움직임은 다른 전자와 원자핵과의 상호작용에 의해 복잡한 방식으로 교란된다.전자는 진공 상태에서 방해받지 않고 이동하는 다른 유효 질량을 가진 것처럼 행동합니다.그러한 전자는 전자 [1]준입자라고 불린다.다른 예에서 반도체의 원자가대 또는 금속의[2] 구멍대에서의 전자의 총운동은 물질이 전자공이라고 불리는 양의 하전된 준입자를 포함하는 것처럼 행동한다.다른 준입자 또는 집합 들뜸은 고체 중의 원자의 진동으로부터 유도되는 준입자 포논과 플라즈마 진동으로부터 유도되는 입자 플라스몬을 포함한다.

이러한 현상은 페르미온과 관련된 경우에는 준입자, 보손과 [1]관련된 경우에는 집합 들뜸이라고 불리지만, 정확한 구별은 보편적으로 합의되지 않았습니다.[3]따라서, 전자와 전자 구멍은 일반적으로 준입자라고 불리는 반면, 포논과 플라스몬은 일반적으로 집단 들뜸이라고 불립니다.

준입자 개념은 양자역학에서 다체 문제를 단순화할 수 있기 때문에 응집 물질 물리학에서 중요하다.준입자 이론은 1930년대에 [4][5]소련의 물리학자 레프 란다우에 의해 시작되었다.

개요

개요

고체는 입자들 중 오직 3종류:전자, 양자, 중성자로 만들어져 있다.이런 Quasiparticles 사람은 아무도 없어;고체 내부에서 발생하는 대신, 그들 각각은 긴급 현상이다.반면 그것이 대단한 단일 입자(전자나 양성자나 중성자)우주에 떠다니는 것이 가능하다 그러므로, 준입자만 many-particle 시스템(주로 고체)상호 작용 안에서만 존재할 수 있다.

고체에서의 움직임 매우:복잡하다.각 전자와 양성자와 철수(쿨롱의 법칙에 의해) 고체(자신들 운동에 있을 것)에 있는 다른 모든 전자와 양성자에 의해 푸시 됩니다.아주 어려운 예측하기와 고체(다체 문제)의 행동을 이해하는 것은 이러한 강한 상호 작용.반면에, 극단적으로 반응 고전 입자의 움직임 상대적으로, 그것은 직선으로 일정한 속도로 움직일 것 간단하다.quasiparticles의 개념을 이것은 동기:.진짜 미세 입자가 고체의 복잡한 운동 수학적으로 어떤 극단적으로 반응을 입자처럼 행동한다면 상상할 수 있는 quasiparticles의 훨씬 간단한 운동으로 변화될 수 있다.

요약하면 고체의 설명을 단순화하는, quasiparticles 있는 수학적 도구이다.

다체 양자역학과의 관계

모든 시스템, 아무리 복잡하고, 고에너지 흥분한 주 무한한 시리즈와 더불어 지상 상태가 있다.

quasiparticles의 주요 동기 그것이 거의 직접적으로 거시적계에서 모든 입자를 묘사하기는 불가능하다는 것이다.예를 들어, 모래가barely-visible(0.1mm)곡물 약 1017년 핵이 있고 1018년 전자가 포함되어 있습니다.이런 유혹하거나만 해도 소름이 끼치마다 쿨롱의 법칙에 의해 다른.원칙적으로 슈뢰딩거 방정식은 이 시스템이 어떻게 동작할지를 정확하게 예측합니다.그러나 슈뢰딩거 방정식은 3×10차원18 벡터 공간에서 편미분방정식(PDE)으로 각 입자의 각 좌표(x,y,z)에 대해 1차원이다.이러한 PDE를 직접적이고 솔직하게 해결하려고 하는 것은 실제로는 불가능합니다.2차원 공간에서 PDE를 해결하는 것은 일반적으로 1차원 공간(분석적 또는 수치적)에서 PDE를 해결하는 것보다 훨씬 어렵습니다. 3차원 공간에서 PDE를 해결하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 따라서 3×10차원18 공간에서는 PDE를 해결하는 것이 매우 어렵습니다.

하나의 단순화된 요소는 다른 양자 시스템과 마찬가지로 시스템 전체가 지면 상태와 지면 상태보다 점점 더 높은 에너지를 가진 다양한 들뜬 상태를 가지고 있다는 것입니다.많은 맥락에서 에너지가 접지 상태에 상당히 가까운 "낮은" 들뜬 상태만 관련이 있다.이는 볼츠만 분포로 인해 발생하며, 이는 주어진 온도에서 매우 높은 에너지 열 변동이 발생할 가능성이 낮다는 것을 의미합니다.

준입자와 집단 들뜸은 낮은 들뜸 상태의 한 종류이다.예를 들어 절대 0의 결정체가 지면 상태이지만, 결정체에 하나의 포논이 첨가되면(즉, 결정이 특정 주파수로 약간 진동하는 경우), 결정체는 현재 낮은 들뜸 상태에 있습니다.단일 포논은 기본 들뜸이라고 불립니다.보다 일반적으로, 저지대 들뜸 상태는 임의의 수의 기본 들뜸을 포함할 수 있다(예를 들어, 다른 준입자 및 집단 [6]들뜸과 함께 많은 포논).

소재가 "몇 개의 기본 들뜸"을 갖는 것으로 특징지어지는 경우, 이 문구는 서로 다른 들뜸을 결합할 수 있다고 가정한다.즉, 들뜸이 동시에 독립적으로 공존할 수 있는 것을 전제로 한다.이것은 결코 정확히 사실이 아니다.예를 들어, 두 개의 동일한 포논을 가진 고체는 결정 진동이 약간 비조화적이기 때문에 하나의 포논을 가진 고체의 정확히 두 배의 들뜸 에너지를 가지고 있지 않습니다.그러나 많은 재료에서 기본 들뜸은 독립성에 매우 가깝습니다.따라서 시작점으로서 이들은 자유롭고 독립적인 실체로 취급되며, 그 후 "폰-폰 산란"과 같은 기본 들뜸 사이의 상호작용을 통해 보정이 포함된다.

따라서 10개의 입자를 분석하는18 대신 준입자/집단 들뜸을 사용하면 다소 독립적인 소자 들뜸을 몇 개만 다루면 된다.따라서 양자역학에서 다체 문제를 단순화하는 것은 매우 효과적인 접근법이다.단, 이 접근방식이 모든 시스템에 도움이 되는 것은 아닙니다.강한 상관 관계 재료에서 소자 들뜸은 독립과는 거리가 멀기 때문에 독립적이라고 취급하는 출발점으로도 유용하지 않습니다.

준입자와 집단 들뜸의 구별

보통, 기본 들뜸은 페르미온이면 "입자"라고 불리고,[1] 보손이면 "집단 들뜸"이라고 불립니다.그러나 정확한 구분이 보편적으로 [3]합의된 것은 아니다.

준입자와 집단 들뜸을 직관적으로 [3]보는 방식에는 차이가 있다.준입자는 보통 옷을 입은 입자와 같이 생각됩니다: 그것은 "핵심"에 있는 실제 입자 주위에 만들어지지만, 입자의 행동은 환경에 의해 영향을 받습니다.표준적인 예로는 "전자 준입자"가 있습니다.결정 중의 전자는 실제 질량과 다른 유효 질량을 가진 것처럼 행동합니다.반면, 집단 들뜸은 보통 "핵심"에 하나의 실제 입자가 없는 시스템의 집합적 동작을 반영하는 것으로 상상됩니다.포논은 결정의 모든 원자의 진동 운동을 특징짓는 포논이다.

그러나 이 두 가지 시각화는 애매한 부분을 남깁니다.예를 들어, 강자석 중의 마그논은 (a)자기 모멘트의 완벽한 정렬에서의 이동 결함(잘못된 스핀) 또는 (b)다수의 스핀의 세차 운동을 수반하는 집합 스핀파의 양자 중 하나의 완전히 동등한 방법으로 생각할 수 있다.첫 번째 경우에는 매그논을 준입자로, 두 번째 경우에는 집합 들뜸으로 상정한다.단, (a)와 (b)는 모두 동등하고 올바른 기술이다.이 예에서 보듯이, 준입자와 집단 들뜸 사이의 직관적인 구별은 특별히 중요하거나 기본적이지 않다.

준입자의 집합적 성격에서 발생하는 문제들은 과학 철학 내에서, 특히 준입자의 동일성 조건과 관련하여, 그리고 예를 들어 실체 [7][8]사실주의 표준에 의해 그것들이 "실재"로 간주되어야 하는지 여부에서도 논의되었다.

대량 속성에 대한 영향

개별 준입자의 특성을 조사함으로써 흐름 특성과 열 용량을 포함한 저에너지 시스템에 대한 많은 정보를 얻을 수 있다.

열용량 예에서 결정은 포논을 형성하거나 들뜸을 형성하거나 플라스몬을 형성함으로써 에너지를 저장할 수 있다.이들 각각은 전체 열 용량에 대한 별도의 기여입니다.

역사

준입자의 개념은 원래 액체 헬륨-3를 연구하기 위해 발명된 레프 란다우의 페르미 액체 이론에서 비롯되었다.이러한 시스템에서는 양자장 이론에서 준입자의 개념과 드레싱된 입자 사이에 강한 유사성이 존재한다.란다우 이론의 역학은 평균장 유형의 운동 방정식에 의해 정의된다.유사한 방정식인 블라소프 방정식은 플라즈마 근사라고 불리는 플라즈마에 유효하다.플라즈마 근사에서는 하전입자가 다른 모든 입자에 의해 집합적으로 발생하는 전자계 내에서 이동하고 있다고 간주되어 하전입자 간의 경충돌은 무시된다.평균장 유형의 운동 방정식이 시스템의 유효한 1차 기술인 경우, 2차 보정은 엔트로피 생성을 결정하고 일반적으로 볼츠만 유형의 충돌 항의 형태를 취하며, 그림에서는 가상 입자 간의 "원거리 충돌"만 해당된다.즉, 모든 유형의 평균장 운동 방정식, 그리고 사실 모든 평균장 이론은 준입자 개념을 포함한다.

준입자 및 집단 들뜸의 예

이 섹션에서는 준입자 및 집단 들뜸의 예를 설명합니다.아래 첫 번째 항은 일반적인 조건 하에서 다양한 재료에서 발생하는 일반적인 예를 포함하고, 두 번째 항은 특수한 상황에서만 발생하는 예를 포함한다.

더 흔한 예제

다음 항목도 참조하십시오.준입자 목록
  • 고체에서 전자 준입자는 고체에서 다른 힘과 상호작용의 영향을 받는 전자이다.전자 준입자는 "정상" 전자와 같은 전하와 스핀을 가지며, 일반 전자와 마찬가지로 페르미온이다.그러나 질량은 일반 전자와 크게 다를 수 있습니다.[1] 유효 질량을 참조하십시오.전계 스크리닝의 결과, 전계도 수정된다.다른 많은 면에서, 특히 통상적인 조건의 금속에서, 소위 란다우 준입자는[citation needed] 친숙한 전자와 매우 유사합니다. 크롬미의 "양자 코랄"이 보여주듯이, STM은 산란 시 간섭을 명확하게 촬영할 수 있습니다.
  • 홀은 어떤 상태에 있는 전자의 결핍으로 이루어진 준입자로, 반도체의 [1]원자가 대역에서 빈 상태의 맥락에서 가장 일반적으로 사용됩니다.구멍은 전자와 반대되는 전하를 가지고 있다.
  • 포논은 단단한 결정구조에서 원자의 진동과 관련된 집단 들뜸이다.그것은 음파의 양자다.
  • 마그논은 결정 격자에서 전자의 스핀 구조와 관련된 집단 들뜸이다[1].그것은 스핀파의 양자이다.
  • 물질에서 광자 준입자는 물질과의 상호작용에 의해 영향을 받는 광자이다.특히 광자 준입자는 물질의 굴절률에 의해 기술된 바와 같이 파장과 에너지(분산 관계) 사이에 수정된 관계가 있다.폴라리톤(polariton)이라고도 불리며, 특히 물질의 공명 근처에서는 더욱 그러하다.예를 들어 엑시톤-폴라리톤은 엑시톤과 광자의 중첩이고, 포논-폴라리톤은 포논과 광자의 중첩이다.
  • 플라스몬은 플라즈마 진동의 양자(모든 전자가 모든 이온에 대해 동시에 진동)인 집단 들뜸입니다.
  • 폴라론은 전자가 주변 이온의 분극과 상호작용할 때 생기는 준입자다.
  • 들뜸은 전자와 구멍이 서로 결합되어 있는 것이다.
  • 플라즈마리톤은 플라즈몬과 광자로 이루어진 결합된 광포논과 드레싱된 광자이다.

더 예 전문

  • 로톤은 유체(종종 초유체)의 회전과 관련된 집단 들뜸입니다.그것은 소용돌이의 양자이다.
  • 복합 페르미온은 큰 자기장을 받는 2차원 시스템에서 발생합니다. 가장 유명한 것은 분수 양자 홀 효과를 [9]보이는 시스템입니다.이 준입자들은 두 가지 면에서 일반 입자와는 상당히 다르다.첫째, 그들의 전하가 전자 전하 e보다 작을 수 있다.실제로 e/3, e/4, e/5, e/[10]7의 전하로 관찰되었습니다.둘째, 그것들은 페르미온도 [11]보손도 아닌 이국적인 형태의 입자인 애니온일 수 있다.
  • 강자성 금속의 스토너 들뜸
  • 초전도체의 보고리보프 준입자.초전도성은 저항 없이 결정 격자를 통과하는 Cooper 쌍(일반적으로 전자 쌍으로 설명됨)에 의해 전달됩니다.깨진 쿠퍼 쌍은 보고리유보프 [12]준입자라고 불린다.음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 구멍(전자 보이드)의 특성을 결합하기 때문에 금속의 일반적인 준입자와는 다릅니다.일반 금속에서 준입자가 산란하는 불순물 원자와 같은 물리적 물체는 전통적인 초전도체에서는 쿠퍼 쌍의 에너지에 약하게만 영향을 미칩니다.기존 초전도체에서는 STM이 보고리보프 준입자 간의 간섭을 보기 어렵다.그러나 복잡한 글로벌 전자 구조 때문에 고Tc 초전도체는 또 다른 문제이다.따라서 데이비스와 그의 동료들은 Bi-2212에서 [13]준입자 간섭의 독특한 패턴을 해결할 수 있었다.
  • 마요라나 페르미온은 자신의 반입자와 같은 입자로 특정 초전도체나 양자 스핀 [14]액체에서 준입자로 나타날 수 있다.
  • 자기 단극은 스핀 얼음과 같은 응축 물질 시스템에서 발생하고 유효 자기 전하를 운반할 뿐만 아니라 유효 질량과 같은 다른 전형적인 준입자 특성을 부여받습니다.그것들은 좌절된 파이로클로어 강자석의 스핀 플립을 통해 형성될 수 있고 쿨롱 전위를 통해 상호작용할 수 있다.
  • 스카이미온과 홉피온
  • 스피논은 전자 스핀 전하 분리의 결과로 생성된 준입자에 의해 표현되며, 허버트미사이트와 [15]같은 일부 광물에서 양자 스핀 액체와 강한 상관관계가 있는 양자 스핀 액체를 형성할 수 있다.
  • 앵글론은 용제 내 분자의 회전을 설명하는 데 사용될 수 있다.2015년 [16]이론적으로 처음 상정된 앵글론의 존재는 20년에 걸친 일련의 실험 끝에 2017년 2월에 확인되었다.무겁고 가벼운 종류의 분자가 초유체 헬륨 방울 안에서 회전하는 것이 발견되었는데, 앙굴론 [17][18]이론과 잘 일치합니다.
  • 타입 II 와일 페르미온은 특수 상대성 이론의 기초인 로렌츠 대칭을 깨는데, 이는 실제 [19]입자에 의해 깨질 수 없다.
  • 디슬론은 결정 전위의 격자 변위장의 양자화와 관련된 양자화 필드이다.전위선의 진동 [20]및 정적 변형장 양자입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f Efthimios Kaxiras (9 January 2003). Atomic and Electronic Structure of Solids. Cambridge University Press. pp. 65–69. ISBN 978-0-521-52339-4.
  2. ^ Ashcroft and Mermin (1976). Solid State Physics (1st ed.). Holt, Rinehart, and Winston. pp. 299–302. ISBN 978-0030839931.
  3. ^ a b c 리처드 D가 쓴 다체 문제에 대한 파인만 도표 안내서입니다. Mattuck, p10. "우리가 봤듯이, 준입자는 원래의 실제, 개별 입자와 교란된 이웃들의 구름으로 구성되어 있다.그것은 유효 질량과 수명을 가진다는 점을 제외하면 개별 입자와 매우 흡사하게 작용한다.그러나 다체계에는 '집단 들뜸'과 같은 다른 종류의 가상 입자가 존재한다.이것들은 개개의 입자를 중심으로 하는 것이 아니라, 시스템내의 모든 입자의 파상 운동을 동시에 수반합니다.」
  4. ^ "Ultracold atoms permit direct observation of quasiparticle dynamics". Physics World. 18 March 2021. Retrieved 26 March 2021.
  5. ^ Kozhevnikov, A. B. (2004). Stalin's great science : the times and adventures of Soviet physicists. London: Imperial College Press. ISBN 1-86094-601-1. OCLC 62416599.
  6. ^ Ohtsu, Motoichi; Kobayashi, Kiyoshi; Kawazoe, Tadashi; Yatsui, Takashi; Naruse, Makoto (2008). Principles of Nanophotonics. CRC Press. p. 205. ISBN 9781584889731.
  7. ^ Gelfert, Axel (2003). "Manipulative success and the unreal". International Studies in the Philosophy of Science. 17 (3): 245–263. CiteSeerX 10.1.1.405.2111. doi:10.1080/0269859032000169451. S2CID 18345614.
  8. ^ B. 팔켄부르크, 입자 형이상학(The Frontiers Collection), 베를린: 스프링거 2007, 특히 페이지 243-46
  9. ^ "Physics Today Article".
  10. ^ "Cosmos magazine June 2008". Archived from the original on 9 June 2008.
  11. ^ Goldman, Vladimir J (2007). "Fractional quantum Hall effect: A game of five-halves". Nature Physics. 3 (8): 517. Bibcode:2007NatPh...3..517G. doi:10.1038/nphys681.
  12. ^ "Josephson Junctions". Science and Technology Review. Lawrence Livermore National Laboratory.
  13. ^ J. E. Hoffman; McElroy, K; Lee, DH; Lang, KM; Eisaki, H; Uchida, S; Davis, JC; et al. (2002). "Imaging Quasiparticle Interference in Bi2Sr2CaCu2O8+δ". Science. 297 (5584): 1148–51. arXiv:cond-mat/0209276. Bibcode:2002Sci...297.1148H. doi:10.1126/science.1072640. PMID 12142440. S2CID 95868563.
  14. ^ Banerjee, A.; Bridges, C. A.; Yan, J.-Q.; et al. (4 April 2016). "Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet". Nature Materials. 15 (7): 733–740. arXiv:1504.08037. Bibcode:2016NatMa..15..733B. doi:10.1038/nmat4604. PMID 27043779. S2CID 3406627.
  15. ^ Shaginyan, V. R.; et al. (2012). "Identification of Strongly Correlated Spin Liquid in Herbertsmithite". EPL. 97 (5): 56001. arXiv:1111.0179. Bibcode:2012EL.....9756001S. doi:10.1209/0295-5075/97/56001. S2CID 119288349.
  16. ^ Schmidt, Richard; Lemeshko, Mikhail (18 May 2015). "Rotation of Quantum Impurities in the Presence of a Many-Body Environment". Physical Review Letters. 114 (20): 203001. arXiv:1502.03447. Bibcode:2015PhRvL.114t3001S. doi:10.1103/PhysRevLett.114.203001. PMID 26047225. S2CID 9111150.
  17. ^ Lemeshko, Mikhail (27 February 2017). "Quasiparticle Approach to Molecules Interacting with Quantum Solvents". Physical Review Letters. 118 (9): 095301. arXiv:1610.01604. Bibcode:2017PhRvL.118i5301L. doi:10.1103/PhysRevLett.118.095301. PMID 28306270. S2CID 5190749.
  18. ^ "Existence of a new quasiparticle demonstrated". Phys.org. Retrieved 1 March 2017.
  19. ^ Xu, S.Y.; Alidoust, N.; Chang, G.; et al. (2 June 2017). "Discovery of Lorentz-violating type II Weyl fermions in LaAlGe". Science Advances. 3 (6): e1603266. Bibcode:2017SciA....3E3266X. doi:10.1126/sciadv.1603266. PMC 5457030. PMID 28630919.
  20. ^ Li, Mingda; Tsurimaki, Yoichiro; Meng, Qingping; Andrejevic, Nina; Zhu, Yimei; Mahan, Gerald D.; Chen, Gang (2018). "Theory of electron–phonon–dislon interacting system—toward a quantized theory of dislocations". New Journal of Physics. 20 (2): 023010. arXiv:1708.07143. Bibcode:2018NJPh...20b3010L. doi:10.1088/1367-2630/aaa383. S2CID 119423231.

추가 정보

  • L. D. 란다우, 소련 물리국 JETP. 3:920 (1957)
  • L. D. 란다우, 소련 물리. JETP. 5:101 (1957)
  • A. A. Abrikosov, L. P. Gor'kov 및 I. E. Dzyalosinski, 통계물리 양자장 이론의 방법(1963, 1975).뉴저지주 프렌티스홀, 뉴욕주 도버출판사.
  • D. 소나무와 P.노지에르, 양자 액체 이론 (1966)W.A. 벤자민, 뉴욕제1권: 일반 페르미 액체(1999년).Westview Press, Boulder.
  • J. W. Negle, H. Orland, 양자 다립자계(1998).웨스트뷰 프레스, 볼더

외부 링크

  • PhysOrg.com – 과학자들이 새로운 '입자'를 발견하다
  • 호기심 많은 '쿼시 입자'는 2008년 6월 6일 코스모스 Jacqui Hayes의 물리학자들을 당혹스럽게 한다.2008년 6월에 액세스