凝聚態物質中準粒子的波粒二象性

2021-01-13 騰訊網

凝聚態物質包括固體和液體,它包括了我們日常生活環境中的絕大部分物質。凝聚態物質也是由原子構成的,原子由原子核與核外電子構成,其構成原子的原子核與電子的量子性質和它們之間的電磁相互作用在原則上決定了凝聚態物質的性質;但是,凝聚態物質是由大量的原子組成,大量具有基本量子性質的原子通過簡單的電磁相互作用卻構成了複雜的聚集體,具有豐富多彩的物理性質——我們並不能夠通過簡單地外推少數粒子的性質來理解凝聚態物質的行為。

準粒子(也被稱為原激發)的概念有助於理解凝聚態物質的一些重要物理性質,利用它可以將凝聚態物質的低能激發態視為無相互作用(或僅有微弱的相互作用)的準粒子的集合,從而使複雜的多體問題大為簡化。一些典型的準粒子的例子有空穴、聲子、激子、極化子和庫珀對等,甚至我們經常提到的金屬或半導體材料中的電子,實際上也是一種準粒子,在原子構成的晶格中運動的、彼此之間有著電磁相互作用的、數目巨大的、真實的電子被約化為具有有效質量的、彼此之間幾乎沒有相互作用的「準電子」。此外,還有一些更為奇特的準粒子,比如說,在具有高遷移率的二維電子氣中存在具有分數電荷的準粒子。

構成物質的基本粒子如電子等都具有波粒二象性,即隨著測量條件的改變,它可能表現出粒子或者波的行為。那麼,用於描述凝聚態物質的準粒子是否也同樣具有波粒二象性?這絕不是一個自明的問題,需要理論探討和實驗驗證。

誠然,已經有許多準粒子被證明的確具有波粒二象性,如用於描述晶格振動的聲子,它的能量是量子化的;可以用半導體材料製成雙縫幹涉儀,使得通過其中的電子可以像光波一樣發生幹涉等。但是,因為凝聚態物質的多樣性,用於描述其性質的準粒子也多種多樣,對於具體的問題就需要具體的分析。深入研究準粒子的波粒二象性對於理解凝聚態物質的物理性質是非常重要的,它將推動凝聚態物理學的發展。

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