Cuasipartícula

Concepto en física de la materia condensada.

En física de la materia condensada , una cuasipartícula es un concepto utilizado para describir un comportamiento colectivo de un grupo de partículas que pueden tratarse como si fueran una sola partícula. Formalmente, las cuasipartículas y las excitaciones colectivas son fenómenos estrechamente relacionados que surgen cuando un sistema microscópicamente complicado, como un sólido , se comporta como si contuviera diferentes partículas que interactúan débilmente en el vacío .

Por ejemplo, cuando un electrón viaja a través de un semiconductor , su movimiento se ve perturbado de manera compleja por sus interacciones con otros electrones y con los núcleos atómicos . El electrón se comporta como si tuviera una masa efectiva diferente y viaja imperturbable en el vacío. Un electrón así se llama cuasipartícula electrónica . ^[1] En otro ejemplo, el movimiento agregado de los electrones en la banda de valencia de un semiconductor o en una banda de huecos en un metal ^[2] se comporta como si el material contuviera en cambio cuasipartículas cargadas positivamente llamadas huecos de electrones . Otras cuasipartículas o excitaciones colectivas incluyen el fonón , una cuasipartícula derivada de las vibraciones de los átomos en un sólido, y los plasmones , una partícula derivada de la oscilación del plasma .

Estos fenómenos suelen denominarse cuasipartículas si están relacionados con fermiones , y excitaciones colectivas si están relacionados con bosones , ^[1] aunque la distinción precisa no está universalmente acordada. ^[3] Así, los electrones y los huecos de los electrones (fermiones) suelen denominarse cuasipartículas , mientras que los fonones y plasmones (bosones) suelen denominarse excitaciones colectivas .

El concepto de cuasipartícula es importante en la física de la materia condensada porque puede simplificar el problema de muchos cuerpos en la mecánica cuántica . La teoría de las cuasipartículas fue iniciada por el físico soviético Lev Landau en la década de 1930. ^{[4] [5]}

Descripción general

Introducción general

Los sólidos están formados por sólo tres tipos de partículas : electrones , protones y neutrones . Ninguna de ellas son cuasipartículas; en cambio, una cuasipartícula es un fenómeno emergente que ocurre dentro del sólido. Por lo tanto, si bien es muy posible tener una sola partícula (electrón, protón o neutrón) flotando en el espacio, una cuasipartícula sólo puede existir dentro de sistemas de muchas partículas que interactúan, como los sólidos.

El movimiento en un sólido es extremadamente complicado: cada electrón y protón es empujado y atraído (según la ley de Coulomb ) por todos los demás electrones y protones del sólido (que pueden estar ellos mismos en movimiento). Son estas fuertes interacciones las que hacen que sea muy difícil predecir y comprender el comportamiento de los sólidos (ver problema de muchos cuerpos ). Por otro lado, el movimiento de una partícula clásica que no interactúa es relativamente simple; se movería en línea recta a velocidad constante. Esta es la motivación para el concepto de cuasipartículas: el complicado movimiento de las partículas reales en un sólido puede transformarse matemáticamente en el movimiento mucho más simple de las cuasipartículas imaginadas, que se comportan más como partículas que no interactúan.

En resumen, las cuasipartículas son una herramienta matemática para simplificar la descripción de sólidos.

Relación con la mecánica cuántica de muchos cuerpos

Cualquier sistema, por complicado que sea, tiene un estado fundamental junto con una serie infinita de estados excitados de mayor energía .

La principal motivación para las cuasipartículas es que es casi imposible describir directamente cada partícula en un sistema macroscópico. Por ejemplo, un grano de arena apenas visible (0,1 mm) contiene alrededor de 10 ¹⁷ núcleos y 10 ¹⁸ electrones. Cada uno de estos se atrae o repele entre sí según la ley de Coulomb . En principio, la ecuación de Schrödinger predice exactamente cómo se comportará este sistema. Pero la ecuación de Schrödinger en este caso es una ecuación diferencial parcial (PDE) en un espacio vectorial de 3×10 ¹⁸ dimensiones: una dimensión para cada coordenada (x, y, z) de cada partícula. En la práctica, es imposible intentar resolver directa y directamente una PDE de este tipo. Resolver una PDE en un espacio bidimensional suele ser mucho más difícil que resolver una PDE en un espacio unidimensional (ya sea analítica o numéricamente); resolver una PDE en un espacio tridimensional es aún mucho más difícil; y, por lo tanto, resolver una PDE en un espacio de 3 × 10 ¹⁸ dimensiones es bastante imposible mediante métodos sencillos.

Un factor simplificador es que el sistema en su conjunto, como cualquier sistema cuántico, tiene un estado fundamental y varios estados excitados con energía cada vez mayor por encima del estado fundamental. En muchos contextos, sólo son relevantes los estados excitados "bajos", con energía razonablemente cercana al estado fundamental. Esto ocurre debido a la distribución de Boltzmann , lo que implica que es poco probable que se produzcan fluctuaciones térmicas de muy alta energía a una temperatura determinada.

Las cuasipartículas y las excitaciones colectivas son un tipo de estado excitado bajo. Por ejemplo, un cristal en el cero absoluto está en el estado fundamental , pero si se agrega un fonón al cristal (en otras palabras, si se hace que el cristal vibre ligeramente a una frecuencia particular), entonces el cristal ahora está en un estado fundamental. estado de excitación acostado. El fonón único se llama excitación elemental . De manera más general, los estados excitados bajos pueden contener cualquier número de excitaciones elementales (por ejemplo, muchos fonones, junto con otras cuasipartículas y excitaciones colectivas). ^[6]

Cuando el material se caracteriza por tener "varias excitaciones elementales", esta afirmación presupone que las diferentes excitaciones pueden combinarse. En otras palabras, presupone que las excitaciones puedan coexistir simultánea e independientemente. Esto nunca es exactamente cierto. Por ejemplo, un sólido con dos fonones idénticos no tiene exactamente el doble de energía de excitación que un sólido con un solo fonón, porque la vibración del cristal es ligeramente anarmónica . Sin embargo, en muchos materiales, las excitaciones elementales están muy cerca de ser independientes. Por lo tanto, como punto de partida , se tratan como entidades libres e independientes, y luego se incluyen correcciones mediante interacciones entre las excitaciones elementales, como la " dispersión fonón-fonón ".

Por lo tanto, utilizando cuasipartículas/excitaciones colectivas, en lugar de analizar 10 ¹⁸ partículas, es necesario tratar sólo con un puñado de excitaciones elementales algo independientes. Se trata, por tanto, de un enfoque eficaz para simplificar el problema de muchos cuerpos en mecánica cuántica. Sin embargo , este enfoque no es útil para todos los sistemas. Por ejemplo, en materiales fuertemente correlacionados , las excitaciones elementales están tan lejos de ser independientes que ni siquiera es útil como punto de partida tratarlas como independientes.

Distinción entre cuasipartículas y excitaciones colectivas.

Habitualmente, una excitación elemental se denomina "cuasipartícula" si es un fermión y "excitación colectiva" si es un bosón . ^[1] Sin embargo, la distinción precisa no está universalmente acordada. ^[3]

Hay una diferencia en la forma en que se visualizan intuitivamente las cuasipartículas y las excitaciones colectivas. ^[3] Generalmente se piensa que una cuasipartícula es como una partícula vestida : está construida alrededor de una partícula real en su "núcleo", pero el comportamiento de la partícula se ve afectado por el entorno. Un ejemplo típico es la "cuasipartícula electrónica": un electrón en un cristal se comporta como si tuviera una masa efectiva diferente de su masa real. Por otro lado, normalmente se imagina que una excitación colectiva es un reflejo del comportamiento agregado del sistema, sin ninguna partícula real en su "núcleo". Un ejemplo estándar es el fonón , que caracteriza el movimiento vibratorio de cada átomo del cristal.

Sin embargo, estas dos visualizaciones dejan cierta ambigüedad. Por ejemplo, un magnón en un ferroimán puede considerarse de dos maneras perfectamente equivalentes: (a) como un defecto móvil (un espín mal dirigido) en una alineación perfecta de momentos magnéticos o (b) como un cuanto de una onda de espín colectiva. eso implica la precesión de muchos giros. En el primer caso, el magnón se concibe como una cuasipartícula; en el segundo, como una excitación colectiva. Sin embargo, tanto (a) como (b) son descripciones equivalentes y correctas. Como muestra este ejemplo, la distinción intuitiva entre una cuasipartícula y una excitación colectiva no es particularmente importante ni fundamental.

Los problemas que surgen de la naturaleza colectiva de las cuasipartículas también se han discutido dentro de la filosofía de la ciencia, especialmente en relación con las condiciones de identidad de las cuasipartículas y si deberían considerarse "reales" según los estándares de, por ejemplo, el realismo de entidades . ^{[7] [8]}

Efecto sobre las propiedades a granel

Al investigar las propiedades de las cuasipartículas individuales, es posible obtener una gran cantidad de información sobre sistemas de baja energía, incluidas las propiedades de flujo y la capacidad calorífica .

En el ejemplo de la capacidad calorífica, un cristal puede almacenar energía formando fonones , y/o formando excitones , y/o formando plasmones , etc. Cada uno de estos es una contribución separada a la capacidad calorífica general.

Historia

La idea de las cuasipartículas se originó en la teoría de los líquidos de Fermi de Lev Landau , que se inventó originalmente para estudiar el helio-3 líquido . Para estos sistemas existe una gran similitud entre la noción de cuasipartícula y partículas vestidas en la teoría cuántica de campos . La dinámica de la teoría de Landau está definida por una ecuación cinética del tipo campo medio . Una ecuación similar, la ecuación de Vlasov , es válida para un plasma en la llamada aproximación del plasma. En la aproximación del plasma, se considera que las partículas cargadas se mueven en el campo electromagnético generado colectivamente por todas las demás partículas, y se desprecian las colisiones fuertes entre las partículas cargadas. Cuando una ecuación cinética del tipo de campo medio es una descripción válida de primer orden de un sistema, las correcciones de segundo orden determinan la producción de entropía y generalmente toman la forma de un término de colisión de tipo Boltzmann , en el que figuran sólo "colisiones lejanas". "entre partículas virtuales " . En otras palabras, todo tipo de ecuación cinética de campo medio, y de hecho toda teoría de campo medio , implica un concepto de cuasipartícula.

Ejemplos de cuasipartículas y excitaciones colectivas.

Esta sección contiene ejemplos de cuasipartículas y excitaciones colectivas. La primera subsección a continuación contiene los comunes que ocurren en una amplia variedad de materiales en condiciones normales; la segunda subsección contiene ejemplos que surgen sólo en contextos especiales.

Ejemplos más comunes

• En los sólidos, una cuasipartícula electrónica es un electrón afectado por otras fuerzas e interacciones en el sólido. La cuasipartícula electrónica tiene la misma carga y espín que un electrón "normal" ( partícula elemental ) y, al igual que un electrón normal, es un fermión . Sin embargo, su masa puede diferir sustancialmente de la de un electrón normal; ver el artículo masa efectiva . ^[1] Su campo eléctrico también se modifica, como resultado del apantallamiento del campo eléctrico . En muchos otros aspectos, especialmente en metales en condiciones ordinarias, estas llamadas cuasipartículas de Landau ^{[ cita necesaria ]} se parecen mucho a los electrones familiares; Como demostró el " corral cuántico " de Crommie , un STM puede visualizar su interferencia al dispersarse.
• Un hueco es una cuasipartícula que consiste en la falta de un electrón en un estado; se utiliza más comúnmente en el contexto de estados vacíos en la banda de valencia de un semiconductor . ^[1] Un agujero tiene la carga opuesta a la de un electrón.
• Un fonón es una excitación colectiva asociada con la vibración de átomos en una estructura cristalina rígida . Es un cuanto de una onda sonora . ^[9]
• Un magnón es una excitación colectiva ^[1] asociada con la estructura de espín de los electrones en una red cristalina. Es un cuanto de una onda de espín .
• En los materiales, una cuasipartícula de fotón es un fotón afectado por sus interacciones con el material. En particular, la cuasipartícula fotónica tiene una relación modificada entre longitud de onda y energía ( relación de dispersión ), como lo describe el índice de refracción del material . También se le puede denominar polariton , especialmente cerca de una resonancia del material. Por ejemplo, un excitón-polaritón es una superposición de un excitón y un fotón; un fonón-polaritón es una superposición de un fonón y un fotón.
• Un plasmón es una excitación colectiva, que es el cuanto de oscilaciones del plasma (donde todos los electrones oscilan simultáneamente con respecto a todos los iones).
• Un polarón es una cuasipartícula que se produce cuando un electrón interactúa con la polarización de los iones circundantes.
• Un excitón es un electrón y un hueco unidos.
• Un plasmariton es un fonón óptico acoplado y un fotón vestido que consta de un plasmón y un fotón.

Ejemplos más especializados

• Un roton es una excitación colectiva asociada con la rotación de un fluido (a menudo un superfluido ). Es un cuanto de un vórtice .
• Los fermiones compuestos surgen en un sistema bidimensional sujeto a un gran campo magnético, más famosos aquellos sistemas que exhiben el efecto Hall cuántico fraccionario . ^[10] Estas cuasipartículas son bastante diferentes a las partículas normales en dos sentidos. Primero, su carga puede ser menor que la carga del electrón e . De hecho, se han observado con cargas de e/3, e/4, e/5 y e/7. ^[11] En segundo lugar, pueden ser cualquiera , un tipo exótico de partícula que no es ni fermión ni bosón . Un anyon tiene un tipo simple de memoria cuyo uso se está investigando en la computación cuántica. ^[12]
• Excitaciones del fumeta en metales ferromagnéticos.
• Cuasipartículas de Bogoliubov en superconductores. La superconductividad es transportada por pares de Cooper , generalmente descritos como pares de electrones, que se mueven a través de la red cristalina sin resistencia. Un par de Cooper roto se llama cuasipartícula de Bogoliubov. ^[13] Se diferencia de la cuasipartícula convencional en el metal porque combina las propiedades de un electrón cargado negativamente y un hueco cargado positivamente (un vacío de electrón). Los objetos físicos como los átomos de impurezas, de los cuales se dispersan cuasipartículas en un metal ordinario, afectan sólo débilmente a la energía de un par de Cooper en un superconductor convencional. En los superconductores convencionales, la interferencia entre cuasipartículas de Bogoliubov es difícil de detectar para un STM. Sin embargo, debido a sus complejas estructuras electrónicas globales, los superconductores de cuprato de alta Tc son otra cuestión. Así, Davis y sus colegas pudieron resolver patrones distintivos de interferencia de cuasipartículas en Bi-2212. ^[14]
• Un fermión de Majorana es una partícula que es igual a su propia antipartícula y puede surgir como una cuasipartícula en ciertos superconductores o en un líquido de espín cuántico. ^[15]
• Los monopolos magnéticos surgen en sistemas de materia condensada, como el hielo giratorio , y llevan una carga magnética efectiva, además de estar dotados de otras propiedades típicas de las cuasipartículas, como una masa efectiva. Pueden formarse a través de cambios de espín en ferroimanes de pirocloro frustrados e interactuar a través de un potencial de Coulomb.
• Skyrmions y Hopfions
• El espín está representado por una cuasipartícula producida como resultado de la separación de la carga del espín del electrón , y puede formar tanto un líquido de espín cuántico como un líquido de espín cuántico fuertemente correlacionado en algunos minerales como la herbertsmithita . ^[dieciséis]
• Los angulones se pueden utilizar para describir la rotación de moléculas en disolventes. Postulada teóricamente por primera vez en 2015, ^[17] la existencia del angulon fue confirmada en febrero de 2017, después de una serie de experimentos que abarcaron 20 años. Se descubrió que especies de moléculas pesadas y ligeras giran dentro de gotitas de helio superfluido , lo que concuerda con la teoría de Angulon. ^{[18] [19]}
• Los fermiones de Weyl tipo II rompen la simetría de Lorentz , el fundamento de la teoría especial de la relatividad , que no puede ser rota por partículas reales. ^[20]
• Un dislon es un campo cuantificado asociado con la cuantificación del campo de desplazamiento reticular de una dislocación cristalina . Es un cuanto de vibración y campo de deformación estática de una línea de dislocación. ^[21]
• El par hidrodinámico (o duón ) es una cuasipartícula formada por dos partículas acopladas por fuerzas hidrodinámicas. Estas cuasipartículas clásicas se observaron como excitaciones elementales en un cristal coloidal 2D impulsado por un flujo viscoso. ^[22] Los pares se estabilizan porque las fuerzas que las partículas ejercen entre sí son de la misma magnitud y dirección (a diferencia de las fuerzas que conservan el momento, que son opuestas según la tercera ley de Newton). Los pares resultantes ("duones") son excitaciones de frecuencia cero que emergen en los conos de Dirac del espectro del cristal.

Ver también

• Fraccionamiento
• Lista de cuasipartículas
• Teoría del campo medio
• pseudopartícula
• Fermión compuesto
• bosón compuesto

Referencias

1. Kaxiras, Efthimios (9 de enero de 2003). Estructura atómica y electrónica de los sólidos. Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 65–69. ISBN 978-0-521-52339-4.
2. Ashcroft; Mermín (1976). Física del estado sólido (1ª ed.). Holt, Rinehart y Winston. págs. 299–302. ISBN 978-0030839931.
3. Richard D. Mattuck, Una guía para los diagramas de Feynman en el problema de muchos cuerpos, p. 10. "Como hemos visto, la cuasipartícula consta de la partícula individual real original, más una nube de vecinas perturbadas. Se comporta de manera muy parecida a una partícula individual, excepto que tiene una masa efectiva y una vida útil. Pero también existen Otros tipos de partículas ficticias en sistemas de muchos cuerpos, es decir, 'excitaciones colectivas', no se centran en partículas individuales, sino que implican un movimiento colectivo, ondulatorio, de todas las partículas del sistema simultáneamente.
4. "Los átomos ultrafríos permiten la observación directa de la dinámica de las cuasipartículas". Mundo de la Física . 18 de marzo de 2021 . Consultado el 26 de marzo de 2021 .
5. Kozhevnikov, AB (2004). La gran ciencia de Stalin: los tiempos y las aventuras de los físicos soviéticos. Londres, Inglaterra: Imperial College Press. ISBN 1-86094-601-1. OCLC  62416599.
6. Ohtsu, Motoichi; Kobayashi, Kiyoshi; Kawazoe, Tadashi; Yatsui, Takashi; Naruse, Makoto (2008). Principios de la Nanofotónica. Prensa CRC. pag. 205.ISBN​ 9781584889731.
7. Gelfert, Axel (2003). "El éxito manipulador y lo irreal". Estudios Internacionales en Filosofía de la Ciencia . 17 (3): 245–263. CiteSeerX 10.1.1.405.2111 . doi :10.1080/0269859032000169451. S2CID  18345614. 
8. B. Falkenburg, Particle Metaphysics (The Frontiers Collection), Berlín, Alemania: Springer 2007, esp. págs. 243–246.
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10. "Artículo de física actual".
11. "Revista Cosmos". Junio ​​de 2008. Archivado desde el original el 9 de junio de 2008.
12. Wilcek, Frank (2021). Fundamentos: Diez claves de la realidad . Nueva York, Nueva York: Penguin Press. págs. 89–90. ISBN 9780735223790. LCCN  2020020086.
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17. Schmidt, Ricardo; Lemeshko, Mikhail (18 de mayo de 2015). "Rotación de impurezas cuánticas en presencia de un entorno de muchos cuerpos". Cartas de revisión física . 114 (20): 203001. arXiv : 1502.03447 . Código Bib : 2015PhRvL.114t3001S. doi :10.1103/PhysRevLett.114.203001. PMID  26047225. S2CID  9111150.
18. Lemeshko, Mikhail (27 de febrero de 2017). "Enfoque de cuasipartículas para moléculas que interactúan con disolventes cuánticos". Cartas de revisión física . 118 (9): 095301. arXiv : 1610.01604 . Código Bib : 2017PhRvL.118i5301L. doi : 10.1103/PhysRevLett.118.095301. PMID  28306270. S2CID  5190749.
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21. Li, Mingda; Tsurimaki, Yoichiro; Meng, Qingping; Andrejevic, Nina; Zhu, Yimei; Mahan, Gerald D.; Chen, pandilla (2018). "Teoría del sistema de interacción electrón-fonón-dislón: hacia una teoría cuantificada de las dislocaciones". Nueva Revista de Física . 20 (2): 023010. arXiv : 1708.07143 . Código Bib : 2018NJPh...20b3010L. doi :10.1088/1367-2630/aaa383. S2CID  119423231.
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Otras lecturas

• LD Landau , médico soviético. JETP. 3: 920 (1957)
• LD Landau, médico soviético. JETP. 5: 101 (1957)
• AA Abrikosov, LP Gor'kov e IE Dzyaloshinski, Métodos de teoría cuántica de campos en física estadística (1963, 1975). Prentice-Hall, Nueva Jersey; Publicaciones de Dover, Nueva York, Nueva York.
• D. Pines y P. Nozières, La teoría de los líquidos cuánticos (1966). WA Benjamín, Nueva York. Tomo I: Líquidos Fermi Normales (1999). Prensa de Westview, Boulder, Colorado.
• JW Negele y H. Orland, Sistemas cuánticos de muchas partículas (1998). Prensa de Westview, Boulder, Colorado.

enlaces externos

• PhysOrg.com – Los científicos encuentran nuevas 'cuasipartículas'
• Curiosas 'cuasipartículas' desconciertan a los físicos por Jacqui Hayes, Cosmos 6 de junio de 2008. Consultado en junio de 2008.