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Quasiteilchen Unter einem versteht man eine Anregung eines Vielteilchensystems die eine Energie Impuls Beziehung Dispers

Quasiteilchen

Unter einem Quasiteilchen versteht man eine Anregung eines Vielteilchensystems, die eine Energie-Impuls-Beziehung (Dispersionsrelation) wie ein Teilchen aufweist. Bei einem Quasiteilchen handelt es sich meist um einen kollektiven Zustand vieler Teilchen, eine elementare Anregung oder manchmal auch um den gebundenen Zustand eines Teilchenpaars. Charakteristisch für Quasiteilchen ist jedoch, dass sie außerhalb ihres Vielteilchensystems nicht auftreten können.

Ein bekanntes Beispiel sind die Defektelektronen („Löcher“) in einem Halbleiter, in dem sich die negativ geladenen Valenzelektronen kollektiv so in eine Richtung bewegen, als würde sich ein positiv geladenes Teilchen in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Andere Beispiele sind Phononen, Magnonen, Cooper-Paare und Exzitonen.

Der Begriff Quasiteilchen geht auf Lew Dawidowitsch Landau zurück. Er entwickelte eine Theorie über die Wechselwirkung zwischen Leitungselektronen in einem Metall (die Theorie der Fermi-Flüssigkeit). Die Grundidee besteht darin, die Wechselwirkung eines Leitungselektrons mit seiner Umgebung dadurch zu beschreiben, dass man das Elektron um diese Wechselwirkung „erweitert“. Dieses erweiterte Teilchen nannte er Quasielektron, da es in der Theorie (in erster Näherung) wie ein freies Elektron behandelt werden kann.

Eigenschaften Bearbeiten

Den Quasiteilchen können Eigenschaften normaler Teilchen wie Masse, Impuls, Energie, Wellenlänge und Spin zugeschrieben werden, wie beispielsweise die effektive Masse für ein Leitungselektron mit Wechselwirkung mit den anderen Elektronen (Quasielektron) statt der tatsächlichen Masse eines Elektrons. Um auszudrücken, dass es sich dabei um Eigenschaften eines Quasiteilchens handelt, spricht man auch von Quasi-Masse etc.

Quasiteilchen verhalten sich wie normale Teilchen und können somit aneinander streuen und Impuls und Energie austauschen. Sie können auch erzeugt und vernichtet werden, für Quasiteilchen gilt also keine Erhaltung der Teilchenzahl. Anders formuliert: Das chemische Potential für Quasiteilchen verschwindet: .

Systeme aus Quasiteilchen (Photonengas, Phononengas etc.) lassen sich nicht klassisch beschreiben. Der klassische Grenzfall ist in solchen Systemen unmöglich, da wegen für die Fugazität immer gilt.

Quasiteilchen, die einen ganzzahligen bzw. halbzahligen Spin besitzen, verhalten sich entsprechend wie Bosonen bzw. Fermionen und gehorchen dementsprechend der Bose-Einstein- bzw. der Fermi-Dirac-Statistik.

Manchmal besitzen die Quasiteilchen ein diskretes Energiespektrum, und der Festkörper kann bestimmte Energiebeträge deutlich besser absorbieren oder emittieren als andere.

Beispiel Bearbeiten

Sieht man einen Kristall als ein System aus Atomen an, die durch elastische Kräfte aneinander gebunden sind, so kann die Wechselwirkung der Atomrümpfe untereinander durch ein elastisches Feld beschrieben werden. Die Quasiteilchen dieses Feldes nennt man Phononen. Sie sind ebene elastische Wellen im Festkörper. Die Phononen entsprechen den Eigenzuständen eines harmonischen Oszillators im Ein-Teilchen-Fall.

Strahlt man eine elektromagnetische Welle in einen Kristall ein, so findet hauptsächlich elastische Streuung statt, der Betrag des Wellenvektors ändert sich dabei nicht. Die Welle kann aber auch unter gleichzeitiger Erzeugung oder Vernichtung eines Phonons gestreut werden. Dabei ändert sich der Betrag des Wellenvektors des Lichts. Diesen Vorgang bezeichnet man als Raman-Streuung. Aus der Änderung des Wellenvektors kann man den Wellenvektor des Phonons bestimmen und daraus die Bindungsenergien zwischen den Atomen des Kristalls berechnen.

Liste von Quasiteilchen Bearbeiten

  • Exzitonen: neutrale Teilchen, zusammengesetzt aus beispielsweise einem Elektron und einem Defektelektron, die mit dem dielektrischen Polarisationsfeld verknüpft sind.
  • Quasielektron: Ein Leitungselektron in einem Metall, mit der üblichen negativen Ladung.
  • Defektelektron oder „Loch“: Ein „fehlendes“ Elektron in der Halbleiterphysik, positiv geladen.
  • Polaronen: geladene Teilchen, die mit dem dielektrischen Polarisationsfeld verknüpft sind.

Literatur Bearbeiten

  • Alexandre M. Zagoskin: Quantum theory of many body systems - techniques and applications. Springer, New York 1998, ISBN 0-387-98384-8.
  • Ch. Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 10. Auflage Oldenbourg Verlag, München 1993, ISBN 3-486-22716-5
  • Ch. Kittel: Quantentheorie der Festkörper. 2. Auflage. Oldenbourg 1988, ISBN 3-486-20748-2.
  • Ashcroft: Festkörperphysik. 2. Auflage. Oldenbourg 2005, ISBN 3-486-57720-4.
  • Kopitzki: Einführung in die Festkörperphysik. 6. Auflage. Teubner, 2007, ISBN 978-3-8351-0144-9.

Weblinks Bearbeiten

Wiktionary: Quasiteilchen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Being exceptional in higher dimensions, auf: nanowerk.com vom 1. Juli 2020
  2. nature.com
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Veröffentlichungsdatum:
Unter einem Quasiteilchen versteht man eine Anregung eines Vielteilchensystems die eine Energie Impuls Beziehung Dispersionsrelation wie ein Teilchen aufweist Bei einem Quasiteilchen handelt es sich meist um einen kollektiven Zustand vieler Teilchen eine elementare Anregung oder manchmal auch um den gebundenen Zustand eines Teilchenpaars Charakteristisch fur Quasiteilchen ist jedoch dass sie ausserhalb ihres Vielteilchensystems nicht auftreten konnen Ein bekanntes Beispiel sind die Defektelektronen Locher in einem Halbleiter in dem sich die negativ geladenen Valenzelektronen kollektiv so in eine Richtung bewegen als wurde sich ein positiv geladenes Teilchen in die entgegengesetzte Richtung bewegen Andere Beispiele sind Phononen Magnonen Cooper Paare und Exzitonen Der Begriff Quasiteilchen geht auf Lew Dawidowitsch Landau zuruck Er entwickelte eine Theorie uber die Wechselwirkung zwischen Leitungselektronen in einem Metall die Theorie der Fermi Flussigkeit Die Grundidee besteht darin die Wechselwirkung eines Leitungselektrons mit seiner Umgebung dadurch zu beschreiben dass man das Elektron um diese Wechselwirkung erweitert Dieses erweiterte Teilchen nannte er Quasielektron da es in der Theorie in erster Naherung wie ein freies Elektron behandelt werden kann Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Beispiel 3 Liste von Quasiteilchen 4 Literatur 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseEigenschaften BearbeitenDen Quasiteilchen konnen Eigenschaften normaler Teilchen wie Masse Impuls Energie Wellenlange und Spin zugeschrieben werden wie beispielsweise die effektive Masse fur ein Leitungselektron mit Wechselwirkung mit den anderen Elektronen Quasielektron statt der tatsachlichen Masse eines Elektrons Um auszudrucken dass es sich dabei um Eigenschaften eines Quasiteilchens handelt spricht man auch von Quasi Masse etc Quasiteilchen verhalten sich wie normale Teilchen und konnen somit aneinander streuen und Impuls und Energie austauschen Sie konnen auch erzeugt und vernichtet werden fur Quasiteilchen gilt also keine Erhaltung der Teilchenzahl Anders formuliert Das chemische Potential fur Quasiteilchen verschwindet m 0 displaystyle mu 0 nbsp Systeme aus Quasiteilchen Photonengas Phononengas etc lassen sich nicht klassisch beschreiben Der klassische Grenzfall z e b m 1 displaystyle z e beta mu ll 1 nbsp ist in solchen Systemen unmoglich da wegen m 0 displaystyle mu 0 nbsp fur die Fugazitat immer z 1 displaystyle z 1 nbsp gilt Quasiteilchen die einen ganzzahligen bzw halbzahligen Spin besitzen verhalten sich entsprechend wie Bosonen bzw Fermionen und gehorchen dementsprechend der Bose Einstein bzw der Fermi Dirac Statistik Manchmal besitzen die Quasiteilchen ein diskretes Energiespektrum und der Festkorper kann bestimmte Energiebetrage deutlich besser absorbieren oder emittieren als andere Beispiel BearbeitenSieht man einen Kristall als ein System aus Atomen an die durch elastische Krafte aneinander gebunden sind so kann die Wechselwirkung der Atomrumpfe untereinander durch ein elastisches Feld beschrieben werden Die Quasiteilchen dieses Feldes nennt man Phononen Sie sind ebene elastische Wellen im Festkorper Die Phononen entsprechen den Eigenzustanden eines harmonischen Oszillators im Ein Teilchen Fall Strahlt man eine elektromagnetische Welle in einen Kristall ein so findet hauptsachlich elastische Streuung statt der Betrag des Wellenvektors andert sich dabei nicht Die Welle kann aber auch unter gleichzeitiger Erzeugung oder Vernichtung eines Phonons gestreut werden Dabei andert sich der Betrag des Wellenvektors des Lichts Diesen Vorgang bezeichnet man als Raman Streuung Aus der Anderung des Wellenvektors kann man den Wellenvektor des Phonons bestimmen und daraus die Bindungsenergien zwischen den Atomen des Kristalls berechnen Liste von Quasiteilchen BearbeitenBosonenExzitonen neutrale Teilchen zusammengesetzt aus beispielsweise einem Elektron und einem Defektelektron die mit dem dielektrischen Polarisationsfeld verknupft sind Magnonen Elektronenspins die durch die Austauschwechselwirkung miteinander gekoppelt sind Phononen elastische Wellen in Kristallen Plasmonen kollektive Schwankungen der Ladungstragerdichte in Metallen und Halbleitern Polaritonen Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Quasiteilchen Beispiele sind Magnon Polaritonen 1 FermionenQuasielektron Ein Leitungselektron in einem Metall mit der ublichen negativen Ladung Defektelektron oder Loch Ein fehlendes Elektron in der Halbleiterphysik positiv geladen Polaronen geladene Teilchen die mit dem dielektrischen Polarisationsfeld verknupft sind WeitereAmplitudon Elementaranregung der Amplitude einer inkommensuraten Uberstruktur eines Festkorpers oder einer Festkorperoberflache Anyonen zweidimensionale Quasiteilchen an Oberflachen bzw Grenzschichten gebunden Cooper Paare 2 gekoppelte Elektronen in der BCS Theorie der Supraleitung Dropleton 2 Holon Orbiton Phason Elementaranregung der Phase einer inkommensuraten Uberstruktur eines Festkorpers oder einer Festkorperoberflache Rotonen Anregungen in suprafluidem 4He Spinon Trionen Skyrmionen quasi freie magnetische Monopole als QuasiteilchenLiteratur BearbeitenAlexandre M Zagoskin Quantum theory of many body systems techniques and applications Springer New York 1998 ISBN 0 387 98384 8 Ch Kittel Einfuhrung in die Festkorperphysik 10 Auflage Oldenbourg Verlag Munchen 1993 ISBN 3 486 22716 5 Ch Kittel Quantentheorie der Festkorper 2 Auflage Oldenbourg 1988 ISBN 3 486 20748 2 Ashcroft Festkorperphysik 2 Auflage Oldenbourg 2005 ISBN 3 486 57720 4 Kopitzki Einfuhrung in die Festkorperphysik 6 Auflage Teubner 2007 ISBN 978 3 8351 0144 9 Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Quasiteilchen Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Lexikon der Physik Quasiteilchen auf spektrum de Yi Xin Chen Quasiparticle excitations and hierarchies of four dimensional quantum Hall fluid states in the matrix models Zhejiang U Inst Mod Phys auf iNSPIRE HEP vom 8 Oktober 2002Einzelnachweise Bearbeiten Being exceptional in higher dimensions auf nanowerk com vom 1 Juli 2020 nature com Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Quasiteilchen amp oldid 235530833