Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Статистическая физика. Часть 2. Теория конденси...doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
3.85 Mб
Скачать

Л. Д. ЛАНДАУ и Е. М. ЛИФШИЦ

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

ТОМ IX

МОСКВА «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

19 7 8

Е. М. ЛИФШИЦ, Л. П. ПИТАЕВСКИЙ

СТАТИСТИЧЕСКАЯ

ФИЗИКА

Часть 2

Теория конден сированного состояния

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов физических специальностей университетов

МОСКВА «НАУКА»

ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

19 7 8

530 Л67

УДК 530.145

Гвгений Михайлович Лифшиц, Лев Петрович Питаевский

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА Часть 2

Теория конденсированного состояния (Серия: «Теоретическая физика», том IX) М.( 1978 г., 448 стр. с илл.

Редактор Ю. Г. Рддой Технический редактор В. Н. Кондакова Корректоры 3. в. Аетонеева, Л. Н. Боровина ИБ № 2265

Сдано в набор 28.11.77. Подписано к печати 20.03.78. Бумага бОхЭО'/и. тип. Nt 3. Литературная гарнитура. Высокая печать. Усл'овн. печ. л. 28. Уч. изд.

л. 28.58. . Тираж 40 000 экз. Заказ №2171. Цена книги 1 р. .20 к.

Издательство «Наука»

Главная редакция физико-математической литературы 117071, Москва, В-71, Ленинский проспект, 15

Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, М-54, Валовая, 28.

© Главная редакция

физико-математической литературы издательства «Наука», 1978

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 8

Некоторые обозначения 10

Глава I. Нормальная ферми-жидкость 11

§ 1. Элементарные возбуждения в квантовой ферми-жидкости ... 11

§ 2. Взаимодействие квазичастиц 19

§ 3. Магнитная восприимчивость ферми-жидкости 24

§ 4. Нулевой звук 26

§ 5. Спиновые волны в ферми-жидкости 33

§ 6. Вырожденный почти идеальный ферми-газ с отталкиванием

между частицами 34

Глава II. Гриновские функции ферми-системы при Г = 0 43

§ 7. Функция Грина макроскопической системы 43

§ 8. Определение энергетического спектра по функции Грина ... 49

§ 9. Функция Грина идеального ферми-газа 55

. § 10. Распределение частиц ферми-жидкости по импульсам .... 57

§ 11. Вычисление термодинамических величин по функции Грина 59

§ 12. Ч'-операторы в представлении взаимодействия . . 60

§ 13. Диаграммная техника для ферми-системы 64

§ 14. Собственно-энергетическая функция 72

§ 15. Двухчастичная функция Грина 76

§ 16. Связь вершинной функции с амплитудой рассеяния квазичастиц 81 § 17. Вершинная функция при малых передачах импульса .... 84 § 18. Связь вершинной функции с функцией взаимодействия квази- частиц 90

. § 19. Тождества для производных от функции Грина 93

§ 20. Вывод связи между предельным импульсом и, плотностью . . 98

§ 21. Гриновская функция почти идеального ферми-газа 101

Глава III. Сверхтекучесть . 108

§ 22. Элементарные возбуждения в квантовой бозе-жидкости ... 108

. § 23. Сверхтекучесть. 112

§ 24. Фононы в жидкости 119

§ 25. Вырожденный почти идеальный бозе-газ 123

§ 26. Волновая функция конденсата 128

§ 27. Температурная зависимость плотности конденсата 133

§ 28. Поведение сверхтекучей плотности вблизи Х-точки 136

§ 29. Квантованные вихревые нити 138

§ 30. Вихревая нить в почти идеальном бозе-газе 145

§ 31. Гриновские функции бозе-жидкости . 147

§ 32. Диаграммная техника для бозе-жидкости 153

§ 33. Собственно-энергетические функции 157

§ 34. Распад квазичастиц 161

35. Свойства спектра вблизи точки его окончания 166

Глава IV. Функции Грина при конечных температурах ,172

1 79

§ 36. Гриновские функции при конечных температурах

§ 37. Температурные функции Грина •„ г' ' ' loi

§ 38. Диаграммная техника для температурных функции Грина 181

Глава V. Сверхпроводимость 185

§ 39. Сверхтекучий ферми-газ. Энергетический спектр 185

§ 40. Сверхтекучий ферми-газ. Термодинамические свойства .... 191

§41. Гриновские функции сверхтекучего ферми-газа 197

§ 42. Температурные гриновские функции сверхтекучего ферми-газа 203

§ 43. Сверхпроводимость металлов 206

§ 44. Сверхпроводящий ток 207

§ 45. Уравнения Гинзбурга —Ландау . • ■ • 213

§ 46. Поверхностное натяжение на границе сверхпроводящей и нор- мальной фаз 221

§ 47. Два рода сверхпроводников 226

§ 48. Структура смешанного состояния 231

§ 49. Диамагнитная восприимчивость выше точки перехода .... 239

§ 50. Эффект Джозефсона 242

§ 51. Связь тока с магнитным полем в сверхпроводнике 247

§ 52. Глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник 254

§ 53. Сверхпроводящие сплавы 256

§ 54. Эффект Купера при отличных от нуля орбитальных моментах

пары , ' 259

Глава VI. Электроны в кристаллической решетке * . . j . , . » . 265

§ 55. Электрон в периодическом поле . . 265

§ 56. Влияние внешнего поля на движение электрона в решетке 274

§ 57. Квазиклассические траектории 279

§ 58. Квазиклассические уровни энергии 284

§ 59. Тензор эффективных масс электрона в решетке ...... . 287

§ 60. Симметрия состояний электрона в решетке в магнитном поле 292

§ 61. Электронный спектр нормальных металлов 297

§ 62. Гриновская функция электронов в металле 302

§ 63. Эффект де Гааза — ван Альфена 307

§ 64. Электрон-фононноевзаимодействие .* . . 315

§ 65. Влияние электрон-фононного взаимодействия на электронный

спектр в металле 318

§ 66. Электронный спектр твердых диэлектриков . . . , 323

§ 67. Электроны и дырки п полупроводниках . . . . . 327

§ 68. Электронный спектр вблизи точки вырождения ....... 329

Глава VII. Магнетизм . 336

§ 69. Уравнение движения магнитного момента в ферромагнетике 336

§ 70. Магноны в ферромагнетике. Спектр 343

§ 71. Магноны в ферромагнетике. Термодинамические величины . , 349

§ 72. Спиновый гамильтониан , 354

§ 73. Взаимодействие магнонов ....... 360

§ 74. Магноны в антиферромагнетнке . , 366

Глава VIII. Электромагнитные флуктуации ...... , 370

§ 75. Гриновская функция фотона в среде . . . 370

§ 76. Флуктуации электромагнитного поля 376

§ 77. Электромагнитные флуктуации в неограниченной среде . . . 378

§ 78. Флуктуации тока в линейных цепях 384

§ 79. Температурная функция Грина фотона в среде 385

§ 80. Тензор напряжений ван-дер-ваальсовых сил . . , , . j , . , 390

§ 81. Молекулярные силы взаимодействия между твердыми телами

Общая формула 398

§ 82. Молекулярные силы взаимодействия между твердыми телами.

Предельные случаи 402

§ 83. Асимптотическое поведение корреляционной функции в жид- кости 407

§ 84. Операторное выражение для диэлектрической проницаемости 411

§ 85. Вырожденная плазма . , . , . . 414

Глава IX. Гидродинамические флуктуации 422

§ 86. Динамический формфактор жидкости ....... ^ ... > 422

§ 87. Правила сумм для формфактора .............. 427

§ 88. Гидродинамические флуктуации 432

§ 89. Гидродинамические флуктуации в неограниченной среде . , t 436

§ 90. Операторные выражения для кинетических коэффициентов . > 442

§ 91. Динамический формфактор ферми-жидкости . . 444

Предметный указатель 448

ПРЕДИСЛОВИЕ

Если кратко охарактеризовать содержание предлагаемого читателю IX тома Курса теоретической физики, то можно ска­зать, что он посвящен квантовой теории конденсированного состояния вещества. Он начинается с подробного изложения теории квантовых жидкостей—бозевской и фермиевской. Эта теория, созданная Л. Д. Ландау вслед за экспериментальными открытиями П. Л. Капицы, представляет в настоящее время самостоятельный раздел теоретической физики. Его важность определяется даже не столько теми интересными явлениями, кото­рые происходят в жидких изотопах гелия, сколько тем, что представления о квантовой жидкости и ее спектре являются по существу основой квантового описания макроскопических тел.

Например, для глубокого понимания свойств металлов необ­ходимо рассматривать электроны в них как ферми-жидкость. Свойства электронной жидкости, однако, усложняются нали­чием кристаллической решетки, и предварительное изучение более простого случая однородной и изотропной жидкости является необходимым шагом в построении теории. Точно так же сверхпроводимость металлов, которую можно рассматривать как сверхтекучесть электронной жидкости, трудно ясно понять без предварительного знания более простой теории сверхтеку­чести бозе-жидкости.

Неотъемлемую часть математического аппарата современной статистической физики составляет аппарат гриновских функ­ций. Это связано отнюдь не "только с теми вычислительными удобствами, которые предоставляет диаграммная техника вычис­ления гринов'ских функций. Дело прежде всего в том, что гри­новские функции непосредственно определяют спектр элемен­тарных возбуждений тела и потому являются тем языком, 'на котором свойства этих возбуждений наиболее естественно опи­сывать. Поэтому в настоящем томе методическим вопросам — теории гриновских функций макроскопических тел — уделено значительное внимание. Хотя основные идеи метода одни и те же для всех систем, конкретный вид диаграммной техники раз­личен в разных случаях. Представляется естественным в этой связи развивать эти методы на примере тех же изотропных квантовых жидкостей, где сущность метода выявляется в чис­

том виде, без усложнений, вносимых пространственной неодно­родностью, наличием нескольких сортов частиц и т. п.

По аналогичным причинам микроскопическую теорию сверх­проводимости мы излагаем на простой модели изотропного ферми-газа со слабым взаимодействием, отвлекаясь от усложнений, связанных с наличием кристаллической решетки и кулоновским взаимодействием.

В связи с главами, посвященными электронам в кристалли­ческой решетке и теории магнетизма, подчеркнем лишний раз, что предлагаемая книга—часть курса теоретической физики и ни в коей мере не призвана заменить собой курс теории твёрдого тела. В соответствии с этим здесь рассматриваются лишь вопросы наиболее общего характера и не затрагиваются как вопросы, требующие использования конкретных экспери­ментальных данных, так и те из-расчетных методов, которые не имеют под собой ясной теоретической базы. Напомним также, что к данному тому не относятся кинетические свойства твер­дых тел, которые мы предполагаем рассмотреть в следующем, заключительном томе курса.

Наконец, в этой книге излагаются также теория электро­магнитных флуктуации в материальных средах и теория гидро­динамических флуктуации. Первая из них входила ранее в со­став VIII тома. Ее перенесение в настоящий том вызвано необ­ходимостью применения гриновских функций, что позволяет придать всей теории более простой и удобный для применения вид. Кроме того, естественно рассматривать электромагнитные и гидродинамические флуктуации в одном томе.

Л. Д. Ландау отсутствует среди фактических авторов этой книги. Но читатель легко заметит, сколь часто встречается его имя в тексте книги; ему лично или в сотрудничестве с его учениками принадлежит значительная доля излагаемых здесь результатов. Многолетнее общение с ним дает нам основание надеяться, что нам удалось верно отразить его точки зрения по этим вопросам—разумеется, с учетом также и того" нового, что было внесено в них за 15 лет, прошедших со дня, когда так трагически прервалась его деятельность.

Мы хотели бы поблагодарить А. Ф. Андреева, И. Е. Дзяло-шинского и И. М. Лифшица за постоянное обсуждение вопросов, рассмотренных в этой книге. Мы извлекли также много пользы из известной книги А. А. Абрикосова, Л. П. Горькова и И. Е. Дзялошинского—одной из первых книг в физической литературе, посвященных новым методам статистической физики. Наконец, мы благодарны Л. П. Горькову и Ю. Л. Климонтовичу, прочитавшим книгу в рукописи и сделавшим ряд замечаний.

Апрель 1977 г.

Е. М. Лифшиц, Л. П. Питаевский

НЕКОТОРЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Векторные индексы обозначаются латинскими буквами i, k,... Спиновые индексы обозначаются греческими буквами а, р\ ... По всем дважды повторяющимся индексам подразумевается суммирование.

«4-векторы» (см. примечание на стр. 68) обозначаются заглав­ными буквами X, Р, ...

Элемент объема dV или d3x.

Предел при стремлении величины к нулю сверху или снизу: + 0 или —0.

Операторы обозначаются буквами со шляпкой

Гамильтониан Н, Н'—Й—[iN. Оператор возмущений V.

гр-операторы в шредингеровском представлении гр, гр+;

в гейзенберговском представлении W, Ф+; в мацубаровском

представлении ~Ч?М, WM.

Гриновские функции G, D. Температурные гриновские функ­ции 3, 3>.

Термодинамические величины обозначаются так же, как в томе V, в том числе: температура Т, объем V, давление Р, химический потенциал ц.

Напряженность и индукция магнитного поля Н и В; внеш­нее магнитное поле

Ссылки на номера параграфов и формул других томов этого курса снабжены римскими цифрами: I — «Механика», 1973; II—«Теория поля», 1973; III — «Квантовая механика», 1974; IV—«Релятивистская квантовая теория», 1968, 1971; V—«Ста­тистическая физика», часть 1, 1976; VI—«Механика сплошных сред», 1954; VIII — «Электродинамика сплошных сред», 1959.