[科普中国]-准粒子

简介

从量子力学上讲，准粒子实际上是一种量子能（姑且这么称呼），它存在于一个晶体点阵或其它相互作用的粒子系统中。基于它具有可量度的空间坐标参数和动量值，因此人们通常称其为准粒子，即有点象粒子，但本质却不是。

从凝聚态物理学上，你也可以这样想象，准粒子类似于在相互作用粒子系统中的一个实体，当实体中的一个粒子在系统中穿行并朝着一定方向运动，环绕该粒子的其它粒子云因为其间的相互作用而脱离原有的运动轨迹，或者“被拖拽着向某个方向运动”，从宏观上看来 ，这一系统就像一个自由运动着的整体，也就是一个“准粒子”。

在凝聚态物理中，引入这样一个“准粒子”的概念非常重要，它是已知的能简化多体问题（如“三体”）少有方法之一。

元激发和准粒子元激发和准粒子的概念，是Landau在他的流体量子理论中首先引入的，这是固体量子理论的重要概念，已逐渐发展为元激发物理。

固体是由大数量(数量级1029/m3)有较强相互作用的微观质粒(分子、原子或离子，电子等)组成，它们的运动是互相关联和互相制约的集体运动。按照量子力学的描述，这样的集体运动在固体内形成一种波动和相应的波场。在处于接近基态的低激发态时，在简谐近似下，这种激发的波动可看作一系列频率不同的平面波，这些平面波相应于具有一定能量和动量，并且满足某种色散律的准粒子。从场的观点来看，弱的激发波场可分解为一系列Fourier分量，即元激发波，波场的能量子就是元激发准粒子。这样的处理，将有较强相互作用的多粒子系统，变成为许多独立准粒子的集合，故可用统一的方式描述固体的性质，而且使问题的处理大为简化。值得注意的是，元激发和准粒子是用量子力学处理多粒子系统时人为引入的概念，并不是真实的微观粒子，它们不能脱离固体而单独存在；而且，随着温度升高或强的外部激发，系统将处于高的激发态，准粒子数随之增大，因此准粒子系统的粒子数是不守恒的，元激发之间的相互作用就渐显重要，从而对固体性质有重要影响。

元激发和准粒子一般有二种类型。一种是Bose型元激发，相应的准粒子是玻色子，如声子、转子、磁振子(自旋波量子)，等离激元、激子等；另一种是Fermi型元激发，相应的准粒子是费米子，如准电子、空穴、极化子等。实际上极化子是电子和声子耦合的复式元激发，复式元激发最为重要是光子-TO声子的极化激元和激子-TO声子的极化激元等。随着固体非线性行为研究的深入，非线性的元激发-孤子正在步入各个研究领域。

元激发和准粒子的概念，是固态量子理论发展的里程碑，应用的范围涉及表面物理、非晶态物理，以及材料科学、信息科学，能源科学等许多研究领域，非线性元激发已引起物理学家的广泛重视1。

准粒子寿命在有限温度下，超导体中能量为E的准粒子可与声子发生非弹性散射， 放出或吸收能量为ћΩ的声子而衰变为其他能量的准粒子，也可能与其他准粒子复合成电子对并放出声子。发生以上这些非弹性碰撞之间的平均自由时间τ(E)称为准粒子寿命。1/τ(E)表示发生以上过程的几率。

如果以1/Ts(E)表示发生准粒子非弹性散射过程的几率，以1/Tr(E)表示能量为E的准粒子与其他准粒子复合成电子对的几率，则有，τs(E)称为散射寿命，Tr(E)称为复合寿命或复合时间。声子数目随温度降低而减小，因而Ts(E)随温度降低而增加. 复合过程是一个二元反应，准粒子数随温度降低而指数减小，因而温度降低时Tr(E)与e成正比增加。Ts(E)、Tr(E)的具体数值与能量E和温度有关，E=△(T)、T/Tc=0.8时，Sn的数值为Tr=4.6×10-10s，Ts=2.3×10-9s，Pb的数值为Tr=3.92×10-11s，Ts=1.96×10-10s。对低能准粒子，T/Tc>0.3时Ts>Tr。对高能准粒子Tr>Ts。Ts和τr数值的相对大小与非平衡超导态的唯象模型有关23。

准粒子注入在非平衡超导电性研究中经常采用一种双隧道结如图所示。 超导膜S1、S2形成的结作注入结，S2、S3形成的结作检测结。 当注入结偏置在电压Vi时即有准粒子注入到中间膜S2中并产生非平衡态，由检测结测量其性质。1963年Taylor首先用双隧道结测量了准粒子复合率1/Tr。若已知隧道注入率I0，并测量过剩准粒子密度△N，即可求出1/Tr。 用隧道结还可测量超导体的能隙△、态密度ρ、准粒子密度N(T)和分布函数f。因此双隧道结在非平衡超导电性研究中有重要的应用4。

1977年Dynes在三层Al双隧道结中观察到了双能隙现象。 即当注入达到一定阈值时，检测结的Ⅰ-Ⅴ曲线上出现新的电流台阶，表明超导膜中存在能隙不同的两个区域。后来在Sn、Pb等材料中也观察到这种现象，在有些实验中还观察到多能隙现象。 用双隧道结还观察到其他形式的空间非均匀态如N-S混合态和能隙弥散态等。

1978年Gray观察到准粒子注入使能隙增大，δ△/△可达到1%。

已提出一些利用准粒子注入条件下超导体非平衡态性质的新型超导器件。 1978年Gray提出了一个有电流放大作用的超导三极管模型，电流增益达到4。 1980年Faris提出了一种三端超导开关器件，具有类似半导体三极管的特性，开关速度达到300ps。这些器件都采用图示的双隧道结，其原理基于准粒子注入使检测结的Ⅰ-Ⅴ曲线发生较大的变化4。