Quantum ABC "quasiparticles Zoo"

A kvantum világ nagyon messze a saját, tehát a jogszabályok gyakran úgy tűnik, hogy nekünk furcsa és counterintuitive. Azonban a nagy hír a kvantumfizika jön szó szerint minden nap, úgy, hogy egy jó ötlet, ami a most szükséges - egyébként munkáját fizikusok szemünk átalakul tudomány mágia és zavarják a mítoszok. Már beszéltünk a kvantum számítógépek, nem helység, kvantum teleportálás és a koherencia. Ma arról fogunk beszélni, egy másik idegen objektum - kvázirészecske.

Quasiparticles, sőt, nagyon sok. Ezért az első találkozó úgy döntöttünk, az alábbiak szerint: könnyebb megérteni a téma, kértük a professzor a University of Southampton és vezetője a kutatócsoport #xAB; Quantum polyaritonika # xbb; Orosz Quantum Center Alexei Kavokin röviden leírni a hét legszórakoztatóbb, az ő véleménye, quasiparticles. A történet Alex kísérték nagyon hasznos és informatív illusztrációkkal, főszereplői, amely a macskák.

A quasiparticles eltérnek a részecskék? Az a tény, hogy üljön be egy ketrecbe, és nem tud kijutni. Lev Landau quasiparticles találták ki, hogy egyszerűsítse a leírás számos fizikai folyamatok, amelyek előfordulnak a kristályokat. Ehelyett milliárd megoldja mozgását leíró egyenleteket az atomok és elektronok a kristályrácsban, elegendő volt, hogy írjon csak néhány részecskék egyenletrendszert a feltalált - quasiparticles - amely mozoghat a kristály, mint egy üres hely, figyelmen kívül hagyva az egyes atomok vagy ionok. A teljes szabadságot a kristály, quasiparticles nem mehetek ki. Azok, akik mernek keresni túl a kristályrács kell drasztikusan változtatni a tulajdonságait, és kapcsolja be a közönséges részecskék - az elektronok, ionok, fotonokat.

Mi a különbség a kvázi-részecske elektron-elektron, az elemi részecskék? A különbség a tömeg. Terjesztése a kristályrács, az elektron könnyebbé válik. Beszéd szigorúbban: kvázirészecske elektron effektív tömeg ismertet, ami függ a kristályrács paramétereit. Egyes félvezető kristályok hatékony elektron tömeg 10, vagy akár 20-szor kisebb, mint a tömege a szabad elektron. Továbbá, a grafén - dimenziós kristály álló szénatomok, alakban gyártott egy méhsejt - néhány elektronok quasiparticles nincs tömege. Minden ilyen elektronok repülnek az azonos legnagyobb sebességet.

Holes hasonlóak a légbuborékokat. Ahelyett, hogy a víz a kristály elektronokat. Üres helyek, ahol nem elektron - lyuk van. Ahogyan gázbuborékok lebegnek fel felé a tenger felszínén e, amely a kristály az úgynevezett Fermi felület. lyuk tömegét negatív - ezért úszik és nem süllyed. A lyuk van egy elektromos töltés egyenlő az elektron töltése, de ellenkező előjelű. Lehet kérni: mi a helyzet az üres helyet lehet elektromosan töltött? Képzeljük el, hogy minden tér tele van negatív töltésű víz. Mit kell tenni, hogy egy kis mennyiségű töltés vált egy dedikált nulla? Válasz: szükség van hozzá, hogy az összeg a pozitív töltések, mint negatív lett. A pozitív töltés kompenzálja a negatív töltés lyuk elektron folyadék.

Egy exciton hasonló a hidrogénatom. A hidrogénatom jelentése egy negatív töltésű elektron (elemi részecske) körül forog a pozitív töltésű proton. Az exciton negatív töltésű elektron (kvázirészecske) körül forog a pozitív töltésű lyukak. Exciton kidolgozott koncepció az 1920-szovjet tudós Yakov Frenkel. Kísérletileg megfigyelt excitonok másik orosz tudós, Eugene Gross, 1952-ben. Annak a ténynek köszönhetően, hogy az elektronok és lyukak a kristály könnyebben proton és elektron egy hidrogénatom, és a kölcsönhatás kvázi-kristályos közegben meggyengült, excitonok előállított nagyon nagy: jellemző exciton mérete lehet több százszor akkora, mint egy atom. Továbbá, ellentétben a hidrogénatom, exciton örök. Élettartama általában kevesebb, mint egy milliárdod másodperc. Ezen idő eltelte után a légbuborék vízzel teli: az elektron és a lyuk újrakombinációja. Eltűnő exciton átadja az energiáját a kristályrács vagy kibocsát egy fotont - foton. Észlelése által kibocsátott fény excitonok, akkor tájékoztatást kapnak szerkezete és tulajdonságai.

Foton - egy kvantum fény. Áthaladva a kristályrács, fotonok változtatni tulajdonságait. Ha az érvénytelen minden fotonok utazik azonos sebességgel - a fény sebessége - sokan közülük lelassult a kristály, és akár le is állhat. Ezt a jelenséget nevezik #xAB, lassú fény # xbb;. Kölcsönhatásban excitonok, a fény kezd viselkedni, mint egy folyadék képez csepp, örvények, állóhullámok és vízesések. Fény lehet irányítani a csatornákon keresztül, hogy változtassa meg a röppálya, sebesség, polarizáció. Egyes elméleti szakemberek is úgy vélik, hogy a fény lehet fagyasztani. A fotonok terjednek a kristály - kvázi-részecske. Tulajdonságaik eltérnek társaik repül az űrben. Például, egy vákuumkemencében foton nincs tömege, és a kristály neki van a súlya.

Fonon - a kvantumait rácsrezgések. fonon koncepciót fejlesztette ki a szovjet fizikus Igor Tamm. Fonon fakadhat, hogy az ionok alkotják a kristályrács, nem áll még, és a tartomány közel egyensúlyi pozíciókat. Az ilyen ingadozások alakulnak hullámok. A nyelv a quasiparticles forgalmazás rácsrezgések egyenértékű foton áramlás. Fonon szállítására hang, hogy jelentős mértékben hozzájárul a hővezető, amelyek kialakulásáért felelős egyéb quasiparticles - Cooper-párok.

Alacsony hőmérsékleten egyes fémek szupravezetés figyelhető - terjedésének a villamos áram ellenállás nélkül. Értsd meg, hogy van egy érdekes jelenség, hogy lehet egy példát két repülőgép repül egymás után egy kört. Planes - az elektronok. A fém, ezek általában viselt nagy sebességek (Fermi sebesség). Repül a kristályrács, az elektron kibocsát egy fonon - lassú kvázirészecske ejtőernyős. Egy idő után, a másik sík felveszi ejtőernyős és dob újra. Két elektron cserélnek fonon, hogy nagy távolságra egymástól. Fonon látnivaló mechanizmus hatékonyabb, mint a taszítás quasiparticles amelyek azonos elektromos töltés. Így alakult elektronpárt - Cooper-párok - rendelkeznek a szokatlan tulajdonsága, hogy mint a lépés azonos sebességgel. Ez vezet a szupravezetés. Képzeljünk el egy csomó autó az autópályán. Amennyiben mindannyian át ugyanazzal a sebességgel nem volt a forgalmi dugókat. És az áramlás a Cooper-párok elosztott ellenállás nélkül.

Az elektronok egy kristály viselkednek nagyjából ugyanaz, mint a víz a tóban. Az intézkedés alapján a szél a tó felületi hullámok vannak kialakítva, amelyek a hengerelt az egyik a tó partján, majd a másik. Wind - fény. Hullámok a felszínen az elektron folyadék - plazmonok. Crystal egésze elektromosan semleges. Offset negatív töltésű elektron folyadék (plazma) képest egy pozitív töltésű kristályrács eredményezi ingadozások elektromos polarizáció. Ezek a rezgések lehet indukálni fényében a megfelelő frekvenciát. A kölcsönhatás a fény az elektron plazma információt továbbítani. Ezt a reakciót a használt nagy pontosságú mikroszkópok. Ezen kívül, mivel a plazmonok lehet változtatni a színét a tárgyakat. Színes üveg középkori ólomüveg - egy példa.