Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Baranov.Introduction to Physics Of Ultra Cold Gases.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
27.08.2013
Размер:
586.56 Кб
Скачать

Chapter 3

Fermions

3.1Free Fermions

3.1.1General properties

We describe our particles by their momenta ~p and some other quantum numbers a which might represent spin projections or hyper fine states. The other quantum numbers have g possible values (labeled j) in total. For now, our energy depends only on ~p, i.e. we do not consider effects like spin-orbit splitting. In the free gas case we get

ep =

p2

 

 

and

(3.1)

2m

 

 

 

1

 

 

 

 

nf(~p;T ) =

 

 

 

 

 

 

 

(3.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

exp

 

3 T

+ 1

 

 

 

 

 

ep m

 

 

 

n = Z

 

 

d p

 

 

 

 

nf(~p;T )

(3.3)

(2p~)3

Since n remains fixed the last equation defines

m(T ).

At T = 0 we call m(T =

0) = eF the FERMI energy.

All states with p pF = 2meF are occupied. The reason for this is the PAULI

 

 

 

 

 

most 1 occupation of each single particle quantum state

principle which allows at p

 

 

 

 

 

 

(or at most g particles in an energy level which is g times degenerate):

 

 

 

d

3

p

 

4p

pF

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

pF

 

n = g Z

 

 

Θ(eF ep) =

 

g Z0

 

d p p

 

= g

 

(3.4)

(2p~)3

(2p~)3

 

 

6p2~3

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= g

(2meF)2

 

eF = eF(n) only

 

 

 

 

 

(3.5)

6p2~3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

47

48

CHAPTER 3. FERMIONS

Figure 3.1: FERMI-DIRAC-Distribution at T = 0 (left) and at 0 < T eF (right)

E0 = g Z

d3 p

Θ (eF

ep)

p2

 

= n

3

eF

(3.6)

(2p~)3

2m

5

If we now consider low temperatures, i.e. 0 < T eF we get the following distribution:

Here m(T;n) 6= eF. We rather get

n = g Z

 

 

d3 p

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.7)

 

(2p~)3

exp

 

e m

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

3

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

= Z0

de g Z

 

 

 

 

p

 

d(e ep)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.8)

 

 

(2p~)3

exp

 

 

 

e m

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

= Z0

de n(e)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.9)

exp

 

e m

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where the density of states n(e) is

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n(e) = g Z

 

 

d3 p

d

e

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.10)

 

 

(2p~)3

 

2m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= g

 

 

 

 

Z0

d p p2d e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.11)

(2p~)3

2m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2p

2~3 mp2m

 

0

 

 

d

 

 

2m

 

 

 

 

r

 

 

d

e

2m

(3.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2m

 

 

g

 

 

 

Z

 

 

 

p2

 

p2

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= g

 

m

p

 

= g

mp(e)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.13)

 

2me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p2~3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p2~3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Looking again at figure (3.1) we see, that only the region around eF is of interest. Since n(e) is analytic and smooth for e close to eF we can generally consider for

3.1. FREE FERMIONS

49

every analytic function f (e):

Z0

1

 

 

= Z

 

 

 

1

 

 

 

 

 

de f (e)

 

 

 

 

m dx

f (m + x)

 

 

 

 

 

(3.14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

exp

e m

+ 1

 

exp

 

 

 

x

 

+ 1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Z0

 

dx f (m + x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

exp

 

 

x

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

T

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ Z0

dx f (m x)

 

 

 

 

(3.15)

 

 

 

 

 

 

 

exp

 

x

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

m

= Z0

dx f (m + x)

 

 

 

 

 

 

+ Z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

exp

 

 

x

 

 

+ 1

m

 

T

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Z0

dx f (m x)

 

 

 

 

 

 

 

 

exp

 

x

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

Zm

de f (e)

dx f (m x)

|{z}

e

(3.16)

(3.17)

0

+ Z0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

[ f (m + x) f (m x)]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

exp

 

x

 

 

+ 1

 

 

 

T

 

 

 

m

 

 

 

 

x

 

 

Z0

de f (e) + 2 f 0(m)Z0

dx

 

 

 

 

(3.18)

exp

 

x

+ 1

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Here we defined

Z

dx x

0

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

= Z0

de f (e) + 2T 2 f 0(m)Z0

dx

 

 

 

 

 

ex + 1

 

 

= Z0m de f (e) +

p2

T 2 f 0(m)

 

 

 

 

6

 

 

 

x = e m and used

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

=

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

for (3.15)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e x + 1

ex + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m T ) m ∞ last term in (3.16)

( 1)n+1e nx

=

 

 

( 1)n+1

 

 

 

 

 

 

 

å

å

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

= å

 

2

å

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

(2k)2

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

å

 

=

 

 

in (3.19)

 

 

 

 

 

 

2

n2

12

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

(3.25)

50

CHAPTER 3. FERMIONS

Using this so called SOMMERFELD expansion we can now calculate the particle density n:

m(T )

p2

 

dn

 

 

 

 

eF+d m

p2

 

dn

 

 

n = Z

de n(e) +

T 2

e=n =

Z

de n(e) +

T 2

e=n

(3.26)

6

de

6

de

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

dn

 

 

 

 

 

 

 

Z

F

 

 

 

 

 

2

 

e=n

 

 

 

 

 

 

de n(e)+d m n(eF) +

p

T 2

 

 

 

 

 

(3.27)

 

6

de

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| {z }

n

which means

2

T 2 de

e=eF

, d m n(eF) + p6

 

 

 

dn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.13):

 

dn

e=eF

 

de

= 0 and

1

= 2eF n(eF)

(3.28)

(3.29)

which leads to the shift in the chemical potential

d m =

p2 T 2

= eF

p2

 

T

 

2

 

12

 

eF

12

eF

 

Using this, we can now calculate the energy using (3.20) with

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

E(T ) = Z0

de n(e)e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

exp

e m

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m=eF+d m

 

 

 

T

2

d

(en(e)) e=n

= Z0

 

 

 

de n(e)e +

p

T 2

 

 

 

 

6

de

 

eF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Z0

de n(e)e +d m(eFn(eF))

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

{z0

 

 

}

 

 

 

 

 

 

 

(3.30)

f (e) = en(e)

(3.31)

(3.32)

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

T 2

 

n(eF) + eF ¶e

e=eF

 

 

 

 

 

 

 

(3.33)

+ p6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¶n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

2

 

2

 

 

 

 

 

p

2

 

2 ¶n

 

 

 

= E0 +

 

T

n(eF) + eF

 

 

 

 

 

T

e=eF #

(3.34)

6

 

 

"d mn(eF) +

g

 

¶e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

{z

 

 

 

 

}

 

=0 (3.28)

Соседние файлы в предмете Физика конденсированного тела