Fermiho kapalina

Fermiho kapalina je kvantová kapalina sestávající z fermionů , které podléhají určitým fyzikálním podmínkám - jmenovitě systém musí být v podmínkách dostatečně nízké teploty a mít translační invarianci . Interakce mezi částicemi v mnohačásticovém systému nemusí být malá (například elektrony v kovu ). Fenomenologická teorie Fermiho kapaliny, vyvinutá sovětským fyzikem L. D. Landauem v roce 1956ročníku, vysvětluje, proč jsou některé vlastnosti interagujícího elektronového systému podobné stejným vlastnostem elektronového plynu (tedy neinteragující fermiony), zatímco jiné vlastnosti jsou odlišné.

Liquid He-3 je Fermiho kapalina při nízkých teplotách (ale ne dostatečně nízkých, aby se z nich stala supratekutá fáze). Kvůli lichému počtu fermionů v atomu se atom sám také stává fermionem. Elektrony v normálním kovu (ne supravodivém ) jsou také Fermiho kapalinou.

Fermiho kapalina je kvalitativně podobná neinteragujícímu Fermiho plynu v následujícím smyslu: dynamiku systému a termodynamiku při nízkoenergetických excitacích a teplotách lze popsat pomocí neinteragujících fermionů, takzvaných kvazičástic , z nichž každá nese stejný spin , náboj a hybnost jako normální částice . Fyzikálně to lze znázornit na samokonzistentním obrázku, kdy okolní částice zkreslují pohyb částice a ruší i pohyb okolních částic. Každý mnohočásticový excitovaný stav systému je popsán výčtem všech obsazených stavů v prostoru hybnosti, stejně jako pro neinteragující systém. V důsledku toho tepelná kapacita Fermiho kapaliny roste lineárně s teplotou, jako u Fermiho plynu.

Existuje však mnoho rozdílů, které stojí za zmínku:

• Energie mnohočásticového stavu není vyjádřena součtem energií jednočásticových excitací nad všemi obsazenými stavy. Energie pro danou změnu v obsazených stavech totiž obsahuje členy lineární a kvadratické (pro Fermiho plyn existují pouze lineární členy, kde jsou energie pro jednu částici označeny). Lineární členy odpovídají renormalizované energii jedné částice, která zahrnuje například změnu efektivní hmotnosti kvazičástic. Kvadratické členy odpovídají zprůměrované interakci (střední pole) mezi kvazičásticemi, která je charakterizována tzv. Fermiho parametrem kapaliny a určuje chování oscilací hustoty (a hustoty spinu) ve Fermiho kapalině. Tato interakce zároveň nevede k rozptylu částic mezi různými stavy s určitou hybností.

• Kromě interakce se středním polem zůstává kvůli slabé interakci mezi nimi nějaký slabý rozptyl kvazičástic na sobě, což vede ke konečné životnosti. Avšak pro dostatečně nízkou excitační energii blízko Fermiho povrchu se doba života stává takovou, že součin energie kvazičástic (děleno Planckovou konstantou ) a doby života je mnohem větší než jednota. V tomto smyslu je energie kvazičástice určena přesně, jinak vztah neurčitosti ztěžuje přesné určení energie.

• Greenova funkce a distribuce hybnosti kvazičástic jsou podobné jako u fermionů ve Fermiho plynu (s výjimkou rozšíření delta vrcholu v Greenově funkci kvůli konečné době života kvazičástic).

Fermiho kapaliny se vyznačují speciálními způsoby šíření vysokofrekvenčního zvuku, které se nazývají nulový zvuk .

V jednorozměrném případě ztrácí Fermiho teorie kapalin svou použitelnost a je třeba použít Luttingerovu teorii kapaliny .

Literatura

• Kvantová tekutina - článek z Fyzikální encyklopedie v 5 svazcích. — M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1988.