- •General aspects
- •Introduction
- •Single particle
- •General aspects
- •Traps
- •Many particles
- •Basics of second quantization
- •Bosons
- •Fermions
- •Single particle operator
- •Two particle operator
- •Bosons
- •Free Bose gas
- •General properties
- •BEC in lower dimensions
- •Trapped Bose gas
- •Parabolic trap
- •Weakly interacting Bose gas
- •BEC in an isotr. harmonic trap at T=0
- •Comparison of terms in GP
- •Thomas-Fermi-Regime
- •Fermions
- •Free Fermions
- •General properties
- •Pressure of degenerated Fermi gas
- •Excitations of Fermions at T=0
- •Trapped non-interacting Fermi gas at T=0
- •Weakly interacting Fermi gas
- •Ground state
- •Decay of excitations
- •Landau-Fermi-Liquid
- •Zero Sound
- •Bardeen-Cooper-Shieffer-Theory
- •General treatment
- •BCS Hamiltonian
- •General energy-momentum relation
- •Calculation for section 3.3.1
- •Lifetime and Fermis Golden Rule
- •Bibliography
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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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2 |
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2 |
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p |
2 |
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2 ¶n |
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= E0 + |
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T |
n(eF) + eF |
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T |
e=eF # |
(3.34) |
||||||||
6 |
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"d mn(eF) + |
g |
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¶e |
|||||||||||||
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{z |
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} |
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=0 (3.28)