基本介紹
- 中文名：固體中的元激發
- 外文名：elementary excitation in solid
- 特徵：固體能量量子是元激發
玻色子,費米子,集體運動模式,複合粒子,準粒子相互作用,
玻色子
晶體中原子之間相互作用可近似作為簡諧力，某一原子振動帶動相鄰原子隨之振動，形成各種模式的波動，稱為格波。格波的能量量子就是相應模式的聲子。聲子是玻色子，服從玻色–愛因斯坦統計分布規律。極性晶體的元胞里中正負離子相對位移會伴生電偶極矩，因而有極化，各元胞間相對位移也會形成波動，稱為光學格波。它與電磁場相互作用，決定了晶體的介電性質和光學性質。20世紀50年代，中國黃昆提出極性晶體的橫向光學格波與光波相互作用合成為電磁耦合場振盪模式。後來，稱此耦合模式的能量量子為電磁耦合子，它也是玻色子，並為實驗所證實。
費米子
溫度升高時，金屬中離費米面較近的一些電子受熱激發，跳到費米面之外的狀態。這些電子就是單電子激發，是費米子，服從費米–狄拉克統計分布規律。在費米球內留下空狀態，每個空狀態是一個帶正電的粒子。叫作空穴，亦是費米子。
對於純淨的半導體，在絕對零度價帶占滿電子，而導帶空無電子。溫度升高，價帶有些電子被激發而落在導帶里，在價帶留下同數量的空穴。導帶的電子和價帶的空穴都是費米子。
極性晶體中的電子運動時，電子周圍的正、負離子移近或遠離電子，使晶格出現極化電場。這極化場反過來又作用於電子，使電子運動減緩。電子總是帶著受它影響而產生的晶格畸變一道運動。這個電子加其晶格畸變的複合體，叫作極化子。極化子也是費米子。
對於純淨的半導體，在絕對零度價帶占滿電子，而導帶空無電子。溫度升高，價帶有些電子被激發而落在導帶里，在價帶留下同數量的空穴。導帶的電子和價帶的空穴都是費米子。
極性晶體中的電子運動時，電子周圍的正、負離子移近或遠離電子，使晶格出現極化電場。這極化場反過來又作用於電子，使電子運動減緩。電子總是帶著受它影響而產生的晶格畸變一道運動。這個電子加其晶格畸變的複合體，叫作極化子。極化子也是費米子。
集體運動模式
金屬的電子氣體可在固定的正離子背景中做電漿振盪，其能量量子ħωp稱為等離體子。等離體子是一種玻色子。
鐵磁體、亞鐵磁體和反鐵磁體中電子自旋之間有相互作用，在絕對零度時相鄰自旋有排列平行或反平行的趨勢，基態為自旋平行的是鐵磁性或亞鐵磁性，自旋反平行的基態為反鐵磁性。溫度升高時，某一電子自旋偏離最大值，牽動其周圍的電子自旋也偏離方向，依此由近及遠傳播，形成一種特殊的波動，叫作自旋波。它的能量也是量子化的，其能量量子叫作磁波子或自旋波量子，亦是一種玻色子。
鐵磁體、亞鐵磁體和反鐵磁體中電子自旋之間有相互作用，在絕對零度時相鄰自旋有排列平行或反平行的趨勢，基態為自旋平行的是鐵磁性或亞鐵磁性，自旋反平行的基態為反鐵磁性。溫度升高時，某一電子自旋偏離最大值，牽動其周圍的電子自旋也偏離方向，依此由近及遠傳播，形成一種特殊的波動，叫作自旋波。它的能量也是量子化的，其能量量子叫作磁波子或自旋波量子，亦是一種玻色子。
複合粒子
半導體中導帶電子和價帶空穴之間存在禁止庫侖吸引作用，組成電子–空穴對的束縛態。這種複合體叫作激子。它是電中性的，不運載電流。激子是玻色子。
固體中元激發或準粒子只存在於固體中，脫離所在的介質就不再存在或變成真實的粒子（如極化子變回電子）。元激發和準粒子的概念對理解固體中許多物理性質和過程是至關重要的，而且可在實驗上證實其存在，測量其能量和動量以及它們對物性的影響。
固體中元激發或準粒子只存在於固體中，脫離所在的介質就不再存在或變成真實的粒子（如極化子變回電子）。元激發和準粒子的概念對理解固體中許多物理性質和過程是至關重要的，而且可在實驗上證實其存在，測量其能量和動量以及它們對物性的影響。
準粒子相互作用
各類準粒子之間也會有相互作用。金屬中的電子不僅排斥其他電子，還會吸引周圍的正離子，正離子的位移可以表示為點陣簡正坐標的疊加，這便是電子和聲子的耦合。這種耦合也要改變運動電子的有效質量。這樣考慮的電子就不僅是電子和周圍正電荷的複合體，而是它們和伴隨的點陣的極化的複合體，但在電子能量不太高時，它還可看作是一個準電子。考慮電子－聲子的耦合，不僅會改變準電子的內容與參量，而且還會改變準電子之間的相互作用。一對電子之間可通過交換聲子而進行能量和動量的傳遞，已經證明，對金屬來說，在費密面附近一薄層內的電子，這種作用是吸引作用。如果這種交換聲子而產生的吸引作用，超過電子間的禁止庫侖作用，則費密面附近的電子之間便是互相吸引的。在這種情況下多粒子系統的單粒子激發譜會發生本質的變化。因為在費密面附近一對吸引的粒子會形成束縛態，或更確切一些說，吸引作用會導致粒子系統的負的相關能，結果這部分在費密面附近一薄層內的電子的能量要比正常態的低，我們稱這部分電子為凝聚相。這樣單粒子激發的能譜就和前述準電子的能譜有本質不同：在基態與單粒子激發態之間出現能隙。在這個情況下，系統成為超導相（見超導電性、超導微觀理論）。超導態的單粒子激發譜是溫度的函式，溫度升高就有更多的凝聚相里的粒子激發為準粒子，凝聚相相關能隨之減小，到某個臨界溫度Tc時，能隙減小到零，單粒子激發譜E(p)又變回到通常的準電子能譜。顯然，超導態的準粒子數目並不守恆。作為多體系統的集體運動的一種模式的準粒子，不僅其能量－動量關係可能與平常的粒子不同，而且有時也可以沒有粒子數守恆的要求。
金屬中電子氣體的各類元激發的概念是在朗道提出的正常費密液體基礎上發展起來的。朗道理論普遍說明了低溫下一個相互作用費密粒子系統的性狀，可以用一些只有弱相互作用的準粒子系統的性狀來表達。這不僅為理解金屬性質提供了理論基礎；而且對研究3He的量子流體性質，甚至對研究重原子核的特性和認識某些天體的特性都起了重要影響。
元激發的概念對理解半導體和絕緣體的性質也很重要。在有離子性的半導體中，載流子對正負離子的作用是相反的，結果形成圍繞它的點陣的電極化場，這實質上是電子和光頻支聲子的耦合。這種耦合形成新的複合體， 稱作極化子。 它其實是在這種情況下的準電子。如果這個晶體是立方點陣，庫侖作用耦合的是縱向光頻支聲子。
金屬中電子氣體的各類元激發的概念是在朗道提出的正常費密液體基礎上發展起來的。朗道理論普遍說明了低溫下一個相互作用費密粒子系統的性狀，可以用一些只有弱相互作用的準粒子系統的性狀來表達。這不僅為理解金屬性質提供了理論基礎；而且對研究3He的量子流體性質，甚至對研究重原子核的特性和認識某些天體的特性都起了重要影響。
元激發的概念對理解半導體和絕緣體的性質也很重要。在有離子性的半導體中，載流子對正負離子的作用是相反的，結果形成圍繞它的點陣的電極化場，這實質上是電子和光頻支聲子的耦合。這種耦合形成新的複合體， 稱作極化子。 它其實是在這種情況下的準電子。如果這個晶體是立方點陣，庫侖作用耦合的是縱向光頻支聲子。
不僅對認識電子的運動，就從認識光波與晶體的相互作用來說，準粒子的概念也很重要。如果點陣振動能產生伴隨的電偶極矩，光波與這個電偶極矩的作用實質上便是光子與某幾支聲子的耦合，這引起點陣對光的吸收與色散現象。假如某一支光頻聲子能和光耦合，它的色散關係（即這支聲子的頻率－波矢關係）是ω(k)。已經知道光子的色散關係是ω=ck，c是光速，k是光波波數。那么，對於滿足方程ω(k)=ck的波矢ko附近的點陣波來說，它和光波的耦合由於兩者的頻率與波矢都近於相等，而變得很強；這時就形成一種新的激發模式，它其實是點陣波與光波的耦合波，對應的元激發稱極化激元。
假如光波的頻率近於或大於禁頻寬度，在晶體中它就會產生電子和空穴。但帶負電荷的電子與帶正電荷的空穴之間有庫侖吸引作用，它們會組成電子－空穴對的束縛態，就好像一個氫原子一樣。這種束縛態稱作激子，它是電中性的，在晶體中傳輸時將不能運載電流，但可以運載能量。激子有自己的質心動量和質心動能，相當於一個質量為me+mh的粒子（me是電子有效質量，mh是空穴有效質量）。束縛態能量是一些分立的值，激子對光的吸收表現為在帶間吸收邊下面的一些吸收峰。
在了解鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性時，另一種元激發——磁振子或自旋波量子的概念也是常用的。作為例子考慮一個簡單的鐵磁系統，它的基態全部自旋是平行的。如果有任何一個自旋倒向，由於和相鄰自旋的交換作用，這會引起周圍自旋的進動，而以波的形式傳播。這種波稱為自旋波。類似於點陣振動，自旋波的能量也是量子化的，能量量子稱磁振子。它也是一種玻色子。根據磁振子和電磁波的相互作用，對中子的散射等等，可以從實驗上測量磁振子的能量－動量關係。
假如光波的頻率近於或大於禁頻寬度，在晶體中它就會產生電子和空穴。但帶負電荷的電子與帶正電荷的空穴之間有庫侖吸引作用，它們會組成電子－空穴對的束縛態，就好像一個氫原子一樣。這種束縛態稱作激子，它是電中性的，在晶體中傳輸時將不能運載電流，但可以運載能量。激子有自己的質心動量和質心動能，相當於一個質量為me+mh的粒子（me是電子有效質量，mh是空穴有效質量）。束縛態能量是一些分立的值，激子對光的吸收表現為在帶間吸收邊下面的一些吸收峰。
在了解鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性時，另一種元激發——磁振子或自旋波量子的概念也是常用的。作為例子考慮一個簡單的鐵磁系統，它的基態全部自旋是平行的。如果有任何一個自旋倒向，由於和相鄰自旋的交換作用，這會引起周圍自旋的進動，而以波的形式傳播。這種波稱為自旋波。類似於點陣振動，自旋波的能量也是量子化的，能量量子稱磁振子。它也是一種玻色子。根據磁振子和電磁波的相互作用，對中子的散射等等，可以從實驗上測量磁振子的能量－動量關係。
