[科普中国]-集体激发

在物理学中，准粒子或称集体激发是一种发生在微观复杂系统的突现现象。

介绍

在物理学中，准粒子或称集体激发是一种发生在微观复杂系统的突现现象。例如固态系统中会好像存在着另一种虚拟的粒子。 以电子在半导体中的运动为例，电子在运动过程中受到来自原子核以及其它电子的作用，然而其行为可以视作带有不同质量的自由电子。 这个带有不同质量的“电子”称为“准电子”（electron quasiparticle）。1另外一个实例是在半导体的价带集体行进的电子，其行为可以视作半导体中存在着带正电的空穴往反方向运行。 其它的准粒子包括声子（来自固态系统中原子的振动）、等离子体（来自等离子体的振荡）等许多种类。

作为少数简化多体问题的手段之一，准粒子的概念在凝态物理尤其重要。

范例声子声子（Phonon）是晶体中晶体结构集体激发的准粒子，化学势为零，服从玻色-爱因斯坦统计，是一种玻色子。声子本身并不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量。根据南部-戈德斯通定理，任何连续性整体对称性的自发破缺，必然对应一个零质量的玻色子。声子就是平移对称性被晶格的点阵结构自发破缺以后对应的玻色子。声子与电子的相互作用，是导致BCS超导的关键机制。

激子激子（英语：exciton）描述了一对电子与空穴由静电库仑作用相互吸引而构成的束缚态，它可被看作是存在于绝缘体，半导体和某些液体中呈电中性的准粒子。激子是凝聚体物理学中转移能量而不转移电荷的基本单位。

半导体吸收一个光子之后就会形成一个激子。这个过程实际上是一个电子从价带激发到导带而留下一个处于固定位置带正电的空穴。此时，导带中的电子会受到空穴库仑力的吸引。吸引作用提供了能量平衡，使得激子体系的总能量略小于未束缚的电子和空穴的能量。束缚态的波函数是类氢的，属于奇异原子态，但这个束缚态的束缚能要比氢原子小许多，而激子的半径则比氢原子的要大。这是因为，一方面，半导体中存在相邻电子的库仑屏蔽；另一方面，电子和空穴构成激子的有效质量较小。

电子和空穴的自旋可以是平行或反平行的。自旋通过交换作用发生耦合，于是产生了激子的精细结构。在周期性晶格中，激子的性质与其动量相关。

激子的概念最早由Yakov Frenkel于1931年提出，用于解释绝缘体中的原子激发。他指出激发态可以像实体粒子一样在晶格中穿行而不发生电荷转移。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所