03.03 元激發的物理學原理如何解釋?

905214897


元激發是固體物理中非常重要的一個概念。

我們通常所說的“粒子”,其實都具有一個實體(無論是粒子還是波),比如電子、質子、中子、夸克、光子、膠子等。特別是電子、質子、中子是可以穩定存在的,半衰期非常長(甚至可以認為是無限長),也就是說,我們可以觀測到一個個獨立的電子。

在固體中,“元激發”並不是真實存在的粒子,而是屬於“準粒子”,也就是貌似像粒子的假粒子。確切來說,元激發描述的是固體物質中的相互作用,也就是把固體中的相互作用量子化。例如原子的熱振動量子化就是聲子,電子自旋相互作用的量子化就是自旋波磁振子,還有金屬中等離子振動模——等離激元,光子與光學支聲子耦合——極化激元,電子-空穴束縛對——激子,離子晶體中電子與聲子耦合形成的極化子等。

對於固體中的運動的電子來說,它的準粒子可以是多種多樣的,可以是狄拉克費米子、外爾費米子、馬約拉納費米子等。換句話說,如果說自由運動的電子是“全裸”的電子,那麼固體中電子的集體元激發就是“穿衣服”的電子。不同電子之間的相互作用,造成電子穿的衣服也不一樣,穿上衣服的電子就不是電子本身,而是“準電子”,或者說“準費米子”(電子是費米子)。縱然,我們依舊可以把電子的衣服剝離,而把衣服單獨考慮,但是這麼做會使得問題變得更加複雜。而把電子穿上衣服,原先複雜的電子間相互作用,重新變成了一個個粒子的統計物理問題,一下子簡單了許多。這便是固體物理處理多體相互作用的一種非常簡單的思路。


飛賊克斯和康德馬特


談點個人拙見。由於物理公理集的缺位,固體物理學對所謂元激發現象的處置方法,顯得很經驗化與碎片化。我與題主一樣,希望追究元激發的物理學原理。

元激發,或準粒子。主流固體物理認為,能量靠近基態虛粒子的低激發態,可以將其看成一些獨立的激發單元集合,具有確定的能量和波矢。

我認為元激發的物理本質,可理解為諧振子震盪,推湧基態虛粒子(basal virtual particle)所形成的高能虛粒子簇,根據Casimir效應與麥克斯韋方程,可以認為就是真空漣漪量子簇,簡稱漣漪簇(rippons)。


可以抽象:元激發、激元、準粒子、虛粒子、波量子、場量子、玻色子,都是異名同指的不同能態的真空漣漪子(簇)。以下就典型玻色子,作為元激發的集合量子,逐一簡析。

一,引力子(graviton),來自電子與核子自旋所激發的真空場,是一個基態真空漣漪子,也是微波背景輻射的一個量子。質量m0≈1.26e-39kg,波長λ0=7.35cm。

二,光子(photon),來自電子繞旋所激發的真空場,是6.4e8個漣子的簇,光子質量從略。

三,聲子(phonon),來自離子&離子相互作用引起晶格振動所激發的真空場。聲子質量從略。

三,磁振子(magnon)。來自磁性材料中的自旋&自旋相互作用引起的自旋波的元激發。 每激發一個磁振子,相當於一個自旋的翻轉。其能量E與相應自旋波頻率ω滿足E=(n+1/2)ω,n為對應頻率為ω的自旋波的平均磁振子數。

四,等離子激元(plasaron),來自金屬中電子氣相互作用引起的等離子體集體振盪。等離子激元的質量從略。



五,極化激元(polariton)——耦合波的漣子簇。光照射離子晶體時將激發橫向的電磁場,對離子晶體中光頻支橫波振動產生影響,特別是當光子頻率w=kc與橫波光學模聲子的頻率wt相近時,兩者的耦合或共振很強。

六,極化子(polaron)——極化場的漣子簇。來自離子晶體中的慢電子與光學模縱聲子相互作用而形成的。一個在離子晶體中緩慢移動的電子與正、負電荷離子之間的Coulomb作用,將使其周圍晶格極化,形成圍繞電子的極化場。


七,激子(exciton)——束縛場的漣子簇。 由於吸收光子在固體中產生的可移動的束縛的電子空子對。在光躍遷過程中,被激發到導帶中的電子和在價帶中的空穴由於庫侖相互作用,將形成一個束縛態,稱為激子。 激子質量從略。

通常有Wannier激子和Frenkel激子,前者電子和空穴分佈在外空間,庫侖束縛較弱,主要在半導體中;後者電子和空穴束縛在體元胞範圍內,庫侖作用較強,主要在絕緣體中。


八,膠子(gluon),來自核子自旋波激發的真空場。其它介子如π,μ,W,Z涉及高能電子自旋與繞旋激發的真空場。介子質量從略。


分享到:


相關文章: