16. Методи квантового опису систем багатьох частинок: адіабатичне наближення, метод Хартрі-Фока

----------

17. Квазічастинки в фізиці: фотони, поляритони, екситони, плазмони, магнони

Фото́н (від дав.-гр. φῶς, род. відм. φωτός, «світло») — квант електромагнітного випромінювання (у вузькому розумінні — світла), елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії.

Це безмасова частинка, яка здатна існувати у вакуумі тільки рухаючись зі швидкістю світла. Електричний заряд фотона також дорівнює нулю. Фотон може перебувати лише у двох спінових станах з проекцією спіна на напрямок руху (спіральністю) ±1. У фізиці фотони позначаються літерою γ.

Полярито́н — квазічастинка, узгоджене розповсюдження в кристалі власного збудження кристалу й електромагнітної хвилі (фотону). У перше узгоджене розповсюдження коливань оптичних фононів й електромагнітної хвилі було теоретично досліджено К.Б. Толпиго у 1950 р. а також незалежно К. Хуангом у 1951 р.

Власне збудження кристалу, яке сильно взаємодіє зі світлом із утворенням поляритонів може бути різної природи: оптичним фононом, екситоном, плазмоном, магноном тощо.

Ексито́н (від лат. excito — збуджую) — квазічастинка, електронне збудження в напівпровіднику чи діелектрику, яке не переносить електричного заряду чи маси.

За своєю природою екситон — зв'язаний стан електрона й дірки, що мігрує по кристалу.

Хоча екситон складається з електрона та дірки, його треба розглядати як самостійну (не звідну) квазічастинку у випадках, коли енергія взаємодії електрона та дірки того ж порядку, що й енергія їхнього руху, а енергія взаємодії між двома екситонами мала в порівнянні з енергією кожного з них. Екситон можна вважати елементарною квазічастинкою в тих явищах, в яких він бере участь як єдина стійка система, що не зазнає на собі дій сторонніх чинників, які могли б його зруйнувати.

Плазмо́н — квазічастинка у твердому тілі, якою описуються узгоджене розповсюдження поздовжньої електромагнітної хвилі та колективних коливань електронного газу.

Свою назву плазмон отримав від схожих коливань, які спостерігаються в плазмі газових розрядів. Взагалі, газ вільних електронів у металах часто називають холодною плазмою.

Поздовжні електромагнітні хвилі з огляду на третє рівняння Максвела можуть розповсюджуватися в середовищі лише при виконанні умови

,

де частота електромагнітної хвилі, а - діелектрична проникність середовища. Саме цією умовою визначається частота плазмонів у металах.

У моделі Друде, згідно з якою провідник описується газом вільних електронів, що не взаємодіють між собою, а позитивний заряд іонних остовів вважається рівномірно розподіленим, плазмони існують на частоті

,

де — заряд вільного електрона, — маса електрона, — густина вільних електронів у газі. Ця частота називається плазмовою частотою.

Плазмова частота визначає верхню частоту, вище якої електромагнітні хвилі починають проникати в метал і метал стає прозорим. Для більшості металів ця частота лежить в ультрафіолетовій області.

Магно́н або спінова хвиля — квазічастинка, яка існує в кристалічних речовинах із впорядкованим розташуванням спінів — феромагнетиках, антиферомагнетиках тощо.

Магнони — бозони зі спіном 1.

Фізична природа

Магнон — це збудження в кристалі (феромагнетику, антиферомагнетику або феримагнетику), при якому спін одного із електронів має протилежну відносно основного стану проекцію. Таке збудження може рухатися від одного вузла кристалічної ґратки до іншого завдяки обмінній взаємодії й характеризується квазі-імпульсом.

В кристалах із багатьма атомами в елементарній комірці кристалічної ґратки існують акустичні й оптичні гілки магнонів, названі так за аналогією із відповідними гілками фононів.

Магнони вносять вклад у теплоємність кристалів, у яких вони збуджуються.