凝聚态物理中的那些“子” 凝聚态物理中的拓扑

凝聚态物理中的那些“子” 凝聚态物理中的拓扑

学习凝聚态物理的时候,第一个门槛就是各种“子”的理解。子,对应英语单词一般都是以on结尾。子,表示这个对象比较小。但是究竟多小才算是小,能不能视为子,主要还是取决于观察的尺度。

子,最长见到的也是比较容易理解的,就是粒子,即那些具有一定体积和质量的物体,比如质子、中子。特别的,人们很关心基本粒子,即不可再分的那种粒子,比如电子、夸克等。比较难理解的,是所谓的准粒子。准粒子其实已经不是“粒子”了。每一种准粒子,都涉及到一个物理过程。

本文的目的,就是总结一下这些子,主要是为自己总计知识;同时也希望和同道中人有所交流切磋。

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基本粒子(particle)

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基本粒子一共16种:


这就是标准模型给出的基本粒子,这些基本粒子根据自旋不同,要么是费米子(fermion),遵从费米-狄拉克统计,要么是玻色子(boson),遵从玻色-爱因斯坦统计。费米子和质量有关系,自旋(spin)是半整数,共12种味;玻色子和基本力有关系,自旋是整数。费米子分为夸克(quarks,浅紫色的)和轻子(lepton,浅绿色的)。图中没有给出的,就是所谓的上帝粒子——Higgsboson。

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准粒子(quasiparticles)

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粒子间存在相互作用的宏观系统的能量不再是单个粒子能————量之和,粒子间相互影响,彼此牵动,单粒子的状态和能量失去意义。在低温下,只有那些低落激发态才对有显著贡献,或者说,系统的低激发态能谱决定了热力学性质。准粒子也是一种元激发,它所涉及到的不是一个粒子,而是多个粒子的集体行为,属于整个系统。准粒子在空间不是局域的而是扩展分布的,它可看做是系统中具有一定能量、动量且满足某种色散律的稳定激发谱支。准粒子有许多种,例如声子(晶体、液体),准电子、准空穴、激子(半导体),磁子(铁磁材料),激化子(离子晶体),等离子体量子(等离子体),旋子和声子(超流液氦)等等。

准粒子多种多样,看看下面的列表就知道了!这些准粒子中有些是有对应的实物粒子的,所以还比较好理解,翻译起来也比较容易;也有几个根本没有实物粒子对应,翻译就是根据物理学家各人的理解给出了,至今也没达成共识。

1.激子(excition):描述了一对电子与空穴由静电库仑作用相互吸引而构成的束缚态,它可被看作是存在于绝缘体,半导体和某些液体中呈电中性的准粒子。激子是凝聚态物理中转移能量而不转移电荷的基本单位。半导体吸收一个光子之后就会形成一个激子。

2.磁振子(magnon):在铁磁体、反铁磁体等在低温下具有磁序的固体材料中,有一类元激发是由磁性原子(或离子)的磁矩在铁磁序(或反铁磁序)的平衡位置附近发生振荡而引起的,这一类元激发称为磁振子。由于铁磁体和反铁磁体中原子(或离子)的磁矩是相互耦合在一起的,一个原子(或离子)的磁矩的振动必将引起相邻原子(或离子)的磁矩的振动,从而像波一样传播开来。因此,磁振子和声子一样,具有一定的能量和动量,且能量和动量之间具有一定的关系,称为磁振子的色散关系。

3.自旋波(spinon):序磁性(铁磁、亚铁磁、反铁磁)体中相互作用的自旋体系由于各种激发作用引起的集体运动,称为自旋波。0K时,热激发使铁磁体中出现部分自旋的反向,而自旋间的相互作用使反向的自旋不固定在某些原子上,而是在自旋体系中传播,形成自旋的集体运动。可以应用波动或准粒子来描述这种集体运动,分别称为自旋波或磁振子。

4.极化激元(polariton):由于光子是横向电磁场的量子,光照射离子晶体时将激发横向的电磁场,从而对离子晶体中光频支横波振动产生影响,特别是当光子频率与横波光学模声子的频率相近时,两者的耦合很强,其结果将使光子与横波光学模声子的色散关系曲线都发生很大的改变,形成光子-横光学模声子的耦合模式,其量子称为极化激元。

5.极化子(polaron)带电粒子在极性介质中受到屏蔽,在带电粒子周围有感应产生的极化云占据,这种感应的极化云将随带电粒子一起运动。朗道将这种带电粒子及其感应的极化云作为整体称为极化子。在离子晶体或极性半导体中的传导电子是典型的极化子,是导电聚合物中的一种重要的电荷载流子。  

6.声子(photon):是晶体中晶体结构集体激发的准粒子,化学势为零,服从玻色-爱因斯坦统计,是一种玻色子。声子本身并不具有物理动量,但是携带有准动量,并具有能量 。根据南部-戈德斯通定理,任何连续性整体对称性的自发破缺,必然对应一个零质量的玻色子。声子就是平移对称性被晶格的点阵结构自发破缺以后对应的玻色子。声子与电子的相互作用,是导致BCS超导的关键机制。

7.等离子体激元(plasmon)等离子体振荡以波的形式传播,其能量是量子化的。这种由等离子体振荡中等离子体电荷密度起伏引起的通过等离子体传播的能量量子叫做等离子体激元,其能量等于hw,w是等离子体振荡频率

8.准电子(elctronquasiparticle):固体中受到其他力和相互作用的电子,和正常电子具有相同的电荷和自旋,也是费米子。但是其质量可以和正常电子显著不同,使用有效质量描述。由于电场屏蔽作用,其周围电场也需要修正。

9.偏振子:半导体材料中的激子与在微腔中振荡的光子之间的强耦合产生新的半光、半物质的准粒子,被称为偏振子。

10.准空穴(electronhole)

11.双极化子(bipolaron)

12.(chargon)

13.(fracton)

14.(holon)

15.(orbiton)

16.(phason)

17.(plasmaron)

18.(roton)

19.(soliton)

20.(trion)

  

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