КВАЗИЧАСТИЦЫ

Понятие квазичастицы было введено советским ученым Л. Д. Ландау в 1940 г. Оно играет большую роль в современной физике. Квазичастицами называют элементарные возбуждения квантовых систем (см. Квантовая механика).

Из школьного курса физики известно, что энергия электрона в атоме не может быть любой и принимает только определенные дискретные значения. Когда электрон переходит с одного энергетического уровня на другой, он поглощает (или испускает) квант излучения.

Теперь представим себе: два атома сблизились так, что образовалась новая квантовая система — молекула. Электроны в молекуле уже являются «собственностью» обоих атомов, и у молекулы появляются свои уровни энергии. Возбуждение молекулы, переходы с уровня на уровень теперь затрагивают «орбиты» обоих электронов.

В твердом теле имеется огромное количество взаимодействующих атомов, но и у этой квантовой системы энергия принимает дискретные значения.

Переходы между состояниями с разными энергиями, вообще говоря, влияют на движение всех электронов. Возбуждение одного из уровней квантовой системы не остается локализованным в данном месте, а передается соседним электронам системы в виде некоторой волны возбуждения, у которой есть определенная частота со и длина волны λ В квантовой механике этой волне соответствует некоторый квант, получивший название квазичастицы, с энергией ħω и импульсом 2πħ = ħ/λ (его называют квазиимпульсом). Можно сказать и несколько по-другому: переход квантовой системы в каждое следующее возбужденное состояние рассматривается как рождение новой квазичастицы. Энергия квазичастицы равна разности энергий уровней системы.

Квазичастицы рождаются не только при возбуждении электронной системы. Возникновение волн колебаний атомов в кристаллической решетке +акже удобно описывать на языке квазичастиц (см. Фонон). Ими пользуются и при описании магнитных свойств вещества (магноны), плазмы (плазмоны) и т. д.

С помощью квазичастиц можно описывать различные взаимодействия в твердых телах. Например, взаимодействие с внешним излучением сводится к столкновению квантов этого излучения с соответствующими квазичастицами твердого тела. Такие процессы изображают с помощью специальных диаграмм (см. рис.), и в квантовой теории их легко рассчитать, используя законы сохранения энергии и импульса.

Концепция квазичастиц работает эффективно при низких температурах, когда возбуждение системы слабое. В таком случае квазичастиц мало, и они образуют подобие идеального газа (взаимодействуют между собой только при столкновениях). Идеальный газ — это простейшая многочастичная система, и ее свойства легко исследовать.

Квазичастицы не следует путать с обычными частицами, из которых состоит квантовая система. Каждая квазичастица описывает коллективное возбуждение всей системы, обычно состоящей из гигантского количества частиц.