W kwazicząstek lub kwazicząstek są zaprojektowane jako jednostki cząstek i ułatwienia opisu systemów cząstki, zwłaszcza w fizyce skondensowanej . Wśród najbardziej znanych wyróżniamy dziury elektronowe, które można postrzegać jako „brak elektronów”, oraz fonony , które opisują „pakiety drgań”.
Ciała stałe składają się z trzech rodzajów cząstek: elektronów , protonów i neutronów. Chociaż nie są częścią tego ostatniego, quasi-cząstki są raczej wynikiem interakcji w ciele stałym. Nie możemy zatem oczekiwać wykrycia quasi-cząstki w próżni, w przeciwieństwie do cząstek (elektronów, protonów, neutronów).
Opis ruchu cząstek w ciele stałym jest trudny. Każdy elektron i każdy proton oddziałuje do pewnego stopnia ze wszystkimi innymi elektronami i protonami w układzie (zgodnie z prawem Coulomba ), co ogromnie komplikuje opis ruchu cząstek w ciele stałym (patrz problem w ciele N ) . Z drugiej strony łatwo jest opisać ruch cząstki, która nie oddziałuje z żadną inną cząstką w ciele stałym. W mechanice klasycznej poruszałby się po linii prostej, aw mechanice kwantowej jak superpozycja fal płaskich . Dlatego naszą zaletą jest opisanie fizyki ciała stałego, wykorzystanie ruchu fikcyjnych quasi-cząstek , które działają jak cząstki bez interakcji, do opisania ruchu rzeczywistych cząstek w ciałach stałych.
Quasi-cząstki są więc jedynie narzędziem matematycznym, które umożliwia łatwiejsze opisanie ruchu i interakcji cząstek w ciele stałym.
Główną motywacją do stosowania kwazicząstek jest fakt, że praktycznie niemożliwe jest opisanie wszystkich cząstek układu makroskopowego. Na przykład w jednym ziarenku piasku (0,1 mm ) znajduje się już 10 17 nukleonów i 10 18 elektronów. Każdy z nich jest przyciągany i odpychany przez wszystkie inne przez prawo Coulomba. Aby opisać taki system w mechanice kwantowej, używamy funkcji falowej, która zależy od położenia wszystkich cząstek, które oddziałują ze sobą. W przypadku zagadnienia elektronów w ziarnach piasków, jeśli chcemy bezpośrednio rozwiązać równanie Schrödingera opisujące układ, sprowadza się to do rozwiązania równań różniczkowych cząstkowych w wymiarach 3 × 10 18 , po trzy na cząstkę układu dla każdego z składowe położenia cząstki, które w praktyce są niemożliwe do rozwiązania.
Możemy po pierwsze uprościć problem faktem, że jak każdy układ kwantowy, nasz system ma stan podstawowy, stan, w którym wszystkie cząstki mają minimum energii i wiele stanów wzbudzonych o energii większej niż stan podstawowy. W wielu przypadkach istotne są tylko stany wzbudzone o niskiej energii. Rzeczywiście, jak stwierdzono w rozkładzie Boltzmanna , jest mało prawdopodobne, aby w danej temperaturze wystąpiły bardzo duże fluktuacje termiczne energii.
Quasi-cząstki są rodzajem wzbudzenia o niskiej energii. Na przykład kryształ schłodzony do zera absolutnego jest w stanie podstawowym. Jeśli dodamy do tego kryształu fonon (wprawiając go w drgania z częstotliwością rezonansową ), to zostanie on wzbudzony do stanu o niskiej energii. W tym przypadku fonon jest quasi-cząstką. Ogólnie rzecz biorąc, stan o niskiej energii może mieć kilka kwazicząstek.
Kiedy materiał charakteryzuje się jako posiadający kilka quasi-cząstek, zakłada to, że są one od siebie niezależne, że możemy równie łatwo opisać układ jako superpozycję wzbudzeń. To nie jest zasadniczo prawdą. Na przykład ciało stałe z dwoma identycznymi fononami nie ma dokładnie dwukrotnie większej energii niż kryształ z jednym fononem w porównaniu z poziomem podstawowym, ponieważ wibracja kryształu jest anharmoniczna . Jednak w wielu materiałach elementarne wzbudzenia są bliskie niezależności. Możemy zatem, jako pierwsze przybliżenie, potraktować wzbudzenia doprowadzone do układu podstawowego jako niezależne, aby następnie doprowadzić współczynniki korekcyjne do znalezionego rozwiązania, jak w przypadku rozpraszania fonon-fonon.
To znacznie upraszcza problem ciała N. Zamiast zajmować się problemem zmiennej 3 × 10 18 , wystarczy rozwiązać problem kilkoma mniej lub bardziej niezależnymi interakcjami. Jednak ta technika nie zawsze może być używana. W przypadku układów silnie skorelowanych nie można dokonać aproksymacji, że wzbudzenia są niezależne, a wyniki uzyskane tą metodą znacznie różnią się od wyników uzyskiwanych w praktyce.
Badając indywidualne właściwości kwazicząstek, można wydobyć informacje o systemach niskoenergetycznych, takich jak ciepło właściwe : Kryształ może magazynować energię w postaci fononów , ekscytonów i / lub plazmonów . Każde z tych wzbudzeń z osobna dostarcza ciepło właściwe.
Idea kwazicząstek wywodzi się z teorii cieczy Leva Landaua Fermiego . Pierwotnie wprowadzili je do badania ciekłego helu-3 . W przypadku helu-3 istnieje duże podobieństwo między pojęciem quasi-cząstek a wzbudzeniami kwantowego pola elementarnego obecnym w teorii pól kwantowych . Podstawy teorii Landaua określa równanie kinetyczne w ramach teorii pól średnich. Równanie Vlassov , ważny dla plazm w sprawie zbliżenia osoczu jest podobny do drugiego. W przybliżeniu plazmy naładowane cząstki poruszają się w polu elektromagnetycznym tworzonym przez wszystkie cząstki, pomijając tak zwane `` twarde '' zderzenia między cząstkami. Gdy równanie kinetyczne pola średniego poprawnie opisuje układ pierwszego rzędu, wówczas do określenia entropii układu stosuje się poprawki drugiego rzędu. Termin drugiego rzędu zwykle przyjmuje postać zderzeniowego terminu Boltzmanna , w którym pojawiają się tylko tak zwane `` odległe '' zderzenia między wirtualnymi cząstkami, innymi słowy quasi-cząstkami.
| Quasi-cząstka | Znaczenie |
|---|---|
| Bipolaron | Połączona para dwóch polaronów |
| Chargeon | Przerwy w sytuacjach separacji ładunków spinowych |
| Exciton | Stany związane swobodnego elektronu i dziury |
| Fluxon | Kwant strumienia elektromagnetycznego |
| Magnon | Spójne wzbudzenia spinów elektronów w materiale |
| Phonon | Tryby wibracji w strukturze kryształu |
| Plasmon | Spójne wzbudzenia plazmy |
| Polaron | Kwazicząstka składa się z elektronu zlokalizowaną w połączeniu z pola z polaryzacją |
| Polariton | Mieszaniny fotonów i innych quasi-cząstek |
| Roton | Elementarny stan wzbudzenia w nadciekłym helu 4 |
| Soliton | Samotna fala, która rozchodzi się bez zniekształceń w nieliniowym i dyspersyjnym ośrodku |
| Spinon | Przerwy w sytuacjach separacji ładunków spinowych |
| Otwór elektronowy (otwór) | Brak elektronu w paśmie walencyjnym |