[科普中國]-集體激發(fā)

在物理學(xué)中，準(zhǔn)粒子或稱集體激發(fā)是一種發(fā)生在微觀復(fù)雜系統(tǒng)的突現(xiàn)現(xiàn)象。

介紹

在物理學(xué)中，準(zhǔn)粒子或稱集體激發(fā)是一種發(fā)生在微觀復(fù)雜系統(tǒng)的突現(xiàn)現(xiàn)象。例如固態(tài)系統(tǒng)中會好像存在著另一種虛擬的粒子。 以電子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)為例，電子在運(yùn)動(dòng)過程中受到來自原子核以及其它電子的作用，然而其行為可以視作帶有不同質(zhì)量的自由電子。 這個(gè)帶有不同質(zhì)量的“電子”稱為“準(zhǔn)電子”（electron quasiparticle）。1另外一個(gè)實(shí)例是在半導(dǎo)體的價(jià)帶集體行進(jìn)的電子，其行為可以視作半導(dǎo)體中存在著帶正電的空穴往反方向運(yùn)行。 其它的準(zhǔn)粒子包括聲子（來自固態(tài)系統(tǒng)中原子的振動(dòng)）、等離子體（來自等離子體的振蕩）等許多種類。

作為少數(shù)簡化多體問題的手段之一，準(zhǔn)粒子的概念在凝態(tài)物理尤其重要。

范例聲子聲子（Phonon）是晶體中晶體結(jié)構(gòu)集體激發(fā)的準(zhǔn)粒子，化學(xué)勢為零，服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，是一種玻色子。聲子本身并不具有物理動(dòng)量，但是攜帶有準(zhǔn)動(dòng)量，并具有能量。根據(jù)南部-戈德斯通定理，任何連續(xù)性整體對稱性的自發(fā)破缺，必然對應(yīng)一個(gè)零質(zhì)量的玻色子。聲子就是平移對稱性被晶格的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)自發(fā)破缺以后對應(yīng)的玻色子。聲子與電子的相互作用，是導(dǎo)致BCS超導(dǎo)的關(guān)鍵機(jī)制。

激子激子（英語：exciton）描述了一對電子與空穴由靜電庫侖作用相互吸引而構(gòu)成的束縛態(tài)，它可被看作是存在于絕緣體，半導(dǎo)體和某些液體中呈電中性的準(zhǔn)粒子。激子是凝聚體物理學(xué)中轉(zhuǎn)移能量而不轉(zhuǎn)移電荷的基本單位。

半導(dǎo)體吸收一個(gè)光子之后就會形成一個(gè)激子。這個(gè)過程實(shí)際上是一個(gè)電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶而留下一個(gè)處于固定位置帶正電的空穴。此時(shí)，導(dǎo)帶中的電子會受到空穴庫侖力的吸引。吸引作用提供了能量平衡，使得激子體系的總能量略小于未束縛的電子和空穴的能量。束縛態(tài)的波函數(shù)是類氫的，屬于奇異原子態(tài)，但這個(gè)束縛態(tài)的束縛能要比氫原子小許多，而激子的半徑則比氫原子的要大。這是因?yàn)?，一方面，半?dǎo)體中存在相鄰電子的庫侖屏蔽；另一方面，電子和空穴構(gòu)成激子的有效質(zhì)量較小。

電子和空穴的自旋可以是平行或反平行的。自旋通過交換作用發(fā)生耦合，于是產(chǎn)生了激子的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在周期性晶格中，激子的性質(zhì)與其動(dòng)量相關(guān)。

激子的概念最早由Yakov Frenkel于1931年提出，用于解釋絕緣體中的原子激發(fā)。他指出激發(fā)態(tài)可以像實(shí)體粒子一樣在晶格中穿行而不發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所