Lichid Fermi

Un lichid Fermi este un lichid cuantic format din fermioni care preiau anumite caracteristici fizice atunci când temperatura este suficient de scăzută. Interacțiunile dintre particulele din sistem nu sunt neapărat mici (cum ar fi electronii dintr-un metal ). Teoria fenomenologică a lichidelor a lui Fermi, introdusă de fizicianul sovietic Lev Davidovich Landau în 1956 , explică de ce unele dintre proprietățile unui sistem fermionic care interacționează sunt foarte asemănătoare cu cele ale unui gaz Fermi (adică alcătuit din fermioni care nu interacționează) și de ce alte proprietățile diferă de model.

Heliu-3 ( ³ He) se comportă ca un lichid Fermi la temperaturi foarte scăzute (dar nu suficient pentru a face elementul un superfluid ). ³ El este un izotop de heliu , format din 2 protoni , 1 neutron și 2 electroni pentru fiecare atom ; deoarece există un anumit număr de fermioni în interiorul atomului, atomul în sine se comportă ca un fermion. Norul de electroni al unui metal (non- supraconductor ) constituie, de asemenea, un lichid Fermi.

Asemănări cu gazul Fermi

Lichidul Fermi este analog calitativ gazului Fermi care nu interacționează în următorul sens: dinamica sistemului la energii și temperatură de excitație scăzută poate fi descrisă prin înlocuirea fermionilor care nu interacționează cu așa-numitele cvasiparticule , fiecare dintre ele purtând aceeași sarcină electrică , rotire și impuls al particulei originale. Din punct de vedere fizic, aceste cvasiparticule pot fi considerate ca fiind particule a căror mișcare este perturbată de particulele vecine și care, la rândul lor, deranjează vecinii. Fiecare stare excitată cu mai multe particule a unui sistem care interacționează poate fi descrisă prin indicarea tuturor stărilor ocupate, ca într-un sistem care nu interacționează. În consecință, cantități precum capacitatea de căldură a lichidului Fermi se comportă calitativ ca cele ale gazului Fermi (de exemplu, capacitatea de căldură crește liniar cu temperatura).

Diferențe față de gazul Fermi

Putere

Energia unei stări cu mai multe particule nu este pur și simplu suma energiilor unei singure particule. În schimb, diferența de energie pentru o diferență dată $\delta n_{k}$ ${\ displaystyle \ delta n_ {k}}$ ${\ displaystyle \ delta n_ {k}}$ în ocuparea stărilor de impuls $k$ ${\ displaystyle k}$ $k$ conține atât termeni liniari, cât și pătratici în $\delta n_{k}$ ${\ displaystyle \ delta n_ {k}}$ ${\ displaystyle \ delta n_ {k}}$ , în timp ce pentru un gaz Fermi există doar termeni liniari ai formei $\delta n_{k}\varepsilon _{k}$ ${\ displaystyle \ delta n_ {k} \ varepsilon _ {k}}$ ${\ displaystyle \ delta n_ {k} \ varepsilon _ {k}}$ , unde este $\varepsilon _{k}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {k}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {k}}$ indică energiile unei singure particule.

În lichidul lui Fermi, termenul liniar corespunde energiei unei singure particule renormalizate , care include, de exemplu, o modificare a masei efective a particulei. Termenul pătratic corespunde unui fel de interacțiune medie-câmp între cvasiparticule, care este parametrizată de așa-numiții parametri Landau-Fermi și determină comportamentul oscilațiilor de densitate (și a oscilațiilor de densitate de spin) în lichid. Aceste interacțiuni, totuși, nu conduc la împrăștierea cvasiparticulelor cu transferul particulelor în diferite stări de impuls.

Căldură și compresibilitate specifice

Căldura specifică , compresibilitatea , sensibilitatea la rotire și alte cantități prezintă același comportament calitativ al gazului Fermi (de exemplu în dependența de temperatură), dar cu magnitudine uneori foarte diferită.

Interacțiuni

În plus față de interacțiunile medii de câmp, rămân unele interacțiuni slabe între cvasiparticule, ducând la coliziuni între cvasiparticulele în sine, care, prin urmare, presupun o viață medie finită. Cu toate acestea, la energii suficient de apropiate de energia Fermi , această viață medie devine foarte lungă, atât de mult încât produsul frecvenței asociate cu energia de excitație și cu durata medie de viață este mult mai mare decât una. Aceasta înseamnă că energia cvasiparticulei este bine definită (vezi Incertitudinea pentru energie și timp ).

Funcția lui Green

Structura funcției verzi a particulei „goale” (spre deosebire de cvasiparticulă) este similară cu cea a gazului Fermi, unde, pentru un moment dat, funcția verde în spațiul de frecvență este o deltă a lui Dirac centrată pe energie a respectivei particule. În plus, spre deosebire de funcția verde a cvasiparticulei, greutatea sa (adică integralul pe frecvențe) este redusă cu factorul de greutate al cvasiparticulei $Z$ ${\ displaystyle Z}$ $Z$ , $0<Z<1$ ${\ displaystyle 0 <Z <1}$ ${\ displaystyle 0 <Z <1}$ . Restul greutății totale p într-un „fundal incoerent” mare, corespunzător efectului de interacțiune puternic pe scări scurte de timp ale fermionilor.

Statistici

Distribuția particulelor pe stările de impuls la temperatura zero arată un salt la suprafața Fermi, conform statisticilor Fermi-Dirac , ca în gazul Fermi; cu toate acestea, funcția nu trece de la 1 la 0, ci ajunge la $Z$ ${\ displaystyle Z}$ $Z$ .

Rezistență

Într-un metal, rezistența electrică la temperatură scăzută este determinată de împrăștierea electron-electron în combinație cu împrăștierea Umklapp . Pentru un lichid Fermi, rezistența datorată acestui mecanism este proporțională cu $T^{2}$ ${\ displaystyle T ^ {2}}$ ${\ displaystyle T ^ {2}}$ ; această tendință este adesea utilizată ca verificare experimentală a comportamentului de tip lichid Fermi, pe lângă tendința liniară a căldurii specifice cu temperatura.

Instabilitatea lichidului lui Fermi

Observarea experimentală a fazelor exotice în sisteme puternic corelate a început un efort enorm din partea fizicienilor teoretici pentru a încerca să înțeleagă originea lor microscopică. O modalitate posibilă de a detecta instabilitățile unui lichid Fermi este analiza făcută de Pomeranchuk ^[1] . După aceasta, instabilitatea Pomeranchuk a fost studiată de mulți autori ^[2] în ultimii ani, cu diferite tehnici, în special instabilitatea fazei nematice a lichidului Fermi a fost studiată pentru multe modele.

Notă

^ IJ Pomeranchuk, Sov. Fizic. JETP 8, 361 (1958)
^ de fapt, acesta este încă un subiect de cercetare, a se vedea de exemplu [1]

Elemente conexe

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] IJ Pomeranchuk, Sov. Fizic. JETP 8, 361 (1958)

[2] ^ de fapt, acesta este încă un subiect de cercetare, a se vedea de exemplu [1]

[1]

[2]