Zweite Quantisierung in kondensierter Materie und Quantenfeldtheorie

Es scheint eine offensichtliche Dichotomie zwischen der Interpretation zweiter quantisierter Operatoren in der kondensierten Materie und der eigentlichen Quantenfeldtheorie zu geben. Wenn wir uns beispielsweise Peskin und Schroeder ansehen , ist der Hamilton-Operator für den quantisierten Dirac-Feld-Hamilton-Operator durch Gl. 3.104 auf p. 58:

(3.104) H = D 3 P ( 2 π ) 3 S E P ( A P S A P S + B P S B P S ) .

Hier, A P S Und A P S sind die Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren für Fermionen, während B P S Und B P S sind die Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren für Anti-Fermionen. Beachten Sie, dass Teilchen und Antiteilchen durch dasselbe Feld beschrieben werden, das wir nennen werden ψ . Beachten Sie auch, dass diese Operatoren die Beziehungen erfüllen

A P S = B P S , A P S = B P S

In der Notation der kondensierten Materie könnten wir in ähnlicher Weise Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren für einen Vielteilchenzustand haben, den wir nennen werden C ich Und C ich (Wir betrachten der Einfachheit halber spinlose Fermionen). In zahlreichen Texten und in meinem Unterricht habe ich das gelernt C ich könnte als Erzeugungsoperator eines Lochs interpretiert werden, das man sich als kondensiertes Materieäquivalent eines Antiteilchens vorstellen könnte.

Warum brauchen wir in der Quantenfeldtheorie getrennte Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren für Fermionen und Anti-Fermionen, aber in kondensierter Materie können wir den Vernichtungsoperator einfach als Erzeugungsoperator des "Antiteilchens" behandeln? Nach meinem Verständnis gibt es einen grundlegenden Unterschied zwischen den zweiten quantisierten Dirac-Feldoperatoren und den zweiten Quantisierungsoperatoren für kondensierte Materie, aber ich kann keine Referenzen finden, die dies diskutieren. Jede Erklärung wäre willkommen, ebenso wie alle Referenzen auf der Ebene von Peskin und Schroeder.

Antworten (1)

Es ist nur eine Konvention, den Dirac-Hamilton-Operator in Bezug auf Elektronen- und Positronenoperatoren zu schreiben. Der Betreiber B P S erzeugt ein „Loch“, also ein Positron, was der Vernichtung eines Elektrons gleichkommt. Wir könnten also genauso gut definieren C P S = B P S und schreiben Sie den Hamiltonoperator in Bezug auf A Und C anstatt A Und B . Dann wird alles in Elektronenoperatoren ausgedrückt.

Wir beschränken uns also auf die Frage, warum Sie zwei Gruppen von Operatoren benötigen A Und C . Der Grund liegt einfach darin, dass die Dispersionsrelation der Dirac-Gleichung entspricht E = ± P 2 + M 2 , also gibt es zu jedem Zeitpunkt zwei Bänder. Daher benötigen Sie einen Operator, der ein Elektron im oberen Band erzeugt/vernichtet, und einen, der ein Elektron im unteren Band erzeugt/vernichtet. Dies würde auch in einem im Impulsraum behandelten kondensierten Materiesystem zutreffen, wenn es mehrere Bänder gibt.

(Warum diese Konvention gewählt wird: Wenn Sie in der relativistischen Quantentheorie alles in Bezug auf Elektronen schreiben, müssen Sie schlussfolgern, dass das Vakuum | 0 hat seither alle Zustände negativer Energie besetzt C P S | 0 = 0 . Dies war tatsächlich Diracs ursprüngliches Bild, aber konzeptionell ist es einfacher, sich vorzustellen, dass das Vakuum keine Partikel enthält. Andererseits sind wir in der Physik der kondensierten Materie daran gewöhnt, dass unsere Festkörpermaterialien viele Elektronen enthalten, daher ist es weniger verwirrend, den gegenteiligen Standpunkt einzunehmen.)