Квазичастицы как носители сигналов

Квазичастицы представляют собой фундаментальное понятие теории конденсированного состояния вещества (твердых тел и жидкостей). Теоретическое описание и объяснение свойств конденсированных сред, исходящее из свойств составляющих их частиц (атомов, молекул), представляет определенные трудности, прежде всего, по причине их сильного взаимодействия между собой. К этому следует добавить высокую концентрацию, составляющую величину ~10²³ частиц в 1 см³. Из-за взаимодействия частиц полная энергия такой системы, определяющая многие ее свойства, не является суммой энергий отдельных частиц, как в случае идеального газа. Частицы конденсированной среды подчиняются законам квантовой механики, поэтому свойства совокупности частиц, составляющих твердое тело (или жидкость), могут быть поняты лишь на основе квантовых представлений.

Развитие квантовой теории конденсированных сред привело к созданию специальных физических понятий, в частности к концепции квазичастиц или элементарных возбуждений всей совокупности взаимодействующих частиц.

Введение

термина «квазичастица» вызвано не только внешним сходством в описании энергии возбужденного состояния кристалла или идеального газа, но и глубокой аналогией между свойствами свободной (квантово-механической) частицы и элементарным возбуждением совокупности взаимодействующих частиц, основанной на корпускулярно-волновом дуализме. Состояние свободной частицы в квантовой механике описывается монохроматической волной, частота которой со = E/h, а длина волны X = 2nh/p (Е и р — энергия и импульс свободной частицы, h — постоянная Планка).

Разнообразие типов квазичастиц велико, а их характер зависит от атомной структуры среды и взаимодействия между частицами. В одной и той же среде может существовать несколько типов квазичастиц. Квазичастицы, как и обычные частицы, могут иметь собственный механический момент — спин. В соответствии с его величиной (выражаемой целым или полу целым числом h) их делят на бозоны и фермионы. Бозоны рождаются и исчезают поодиночке, фермионы рождаются и исчезают парами. Для квазичастицфермионов распределение по энергетическим уровням определяется функцией распределения Ферми, для квазичастиц-бозонов — функцией распределения Бозе. В энергетическом спектре, который является совокупностью энергетических спектров всех возможных в них типов квазичастиц, можно выделить фермиевскую и бозевскую «ветви».