电子关联与多体物理
费米液体理论
/ FER-mee LIK-wid /
假设你要穿过一个挤满人的火车站台。你不可能无视这群人,可你也不会去盯着每一个人:你只是察觉到,你自己走起来有点发沉,得侧着身子才挤得过去。人群并没有把你拦住——它只是改变了「你」的运动方式。费米液体理论正是这样一个深刻的洞见:相互作用的电子可以恰恰这样被重新打包。
本来,互相猛烈推挤的电子应该是一团无望的多体乱麻。列夫·朗道的想法是:把每个电子,连同它在邻居中激起的那点扰动,一起捆成一束,管这一束叫准粒子。了不起的是,这些准粒子的行为几乎和自由电子一模一样,只不过重量变了,而且寿命有限。于是那团乱糟糟的相互作用系统,就被一项一项地对应到了简单的无相互作用图像上,只需调整几个数字。
它之所以重要,是因为它解释了:尽管电子之间排斥得那么凶,那幅粗糙的自由电子模型为什么对普通金属还这么好用——相互作用被「藏进了」准粒子里头。要诚实地补一句:它并不普适。在一维导线里、在某些相变附近、在许多强关联材料中,准粒子图像会崩塌,物理学家必须另寻出路。
把液态氦-3冷到比绝对零度高出千分之一度,就是教科书里的费米液体:它那些强烈相互作用的原子,依旧表现得像界限分明的准粒子,测出来的热量与流动几乎完美地符合朗道的预言——这正是这套理论之所以带着「液体」二字的缘由。
接近绝对零度的液态氦-3是费米液体的范本,与朗道的预言相符。
它被叫作「液体」而非气体,是因为电子之间强烈相互作用——但它并不是那种你能倒出来的液体。这个词借用的是「稠密、相互推搡的一群」这个意象。一种不服从这套框架的材料,往往被贴上「非费米液体」的标签,这是奇异物理正在上演的一条重要线索。
又称
另见