准粒子

在物理学中，准粒子和集体激发是密切相关的涌现现象，当一个微观复杂的系统（如固体）表现得好像它在真空中包含不同的弱相互作用粒子时就会出现。

例如，当电子穿过半导体时，它的运动会因与其他电子和原子核的相互作用而以复杂的方式受到干扰。 电子的行为就好像它具有不同的有效质量，在真空中不受干扰地行进。 这样的电子称为电子准粒子。 在另一个例子中，电子在半导体价带或金属空穴带中的聚集运动表现得好像材料中含有带正电的准粒子，称为电子空穴。 其他准粒子或集体激发包括声子（一种源自固体中原子振动的准粒子）和等离子体激元（一种源自等离子体振荡的粒子）。

如果这些现象与费米子有关，则通常称为准粒子；如果与玻色子有关，则称为集体激发，尽管精确的区别并未得到普遍认同。 因此，电子和电子空穴（费米子）通常被称为准粒子，而声子和等离子体（玻色子）通常被称为集体激发。

准粒子概念在凝聚态物理学中很重要，因为它可以简化量子力学中的多体问题。

固体仅由三种粒子构成：电子、质子和中子。 准粒子不是这些； 相反，它们中的每一个都是在固体内部发生的突发现象。 因此，虽然单个粒子（电子或质子或中子）很可能漂浮在太空中，但准粒子只能存在于相互作用的多粒子系统（主要是固体）中。

固体中的运动极其复杂：每个电子和质子都被固体中的所有其他电子和质子（它们本身可能在运动）推动和拉动（根据库仑定律）。 正是这些强相互作用使得预测和理解固体的行为变得非常困难（参见多体问题）。 另一方面，非相互作用的经典粒子的运动相对简单； 它会以恒定速度沿直线移动。 这就是准粒子概念的动机：固体中真实粒子的复杂运动可以在数学上转化为想象的准粒子的简单得多的运动，这些准粒子的行为更像非相互作用的粒子。

总之，准粒子是一种简化固体描述的数学工具。

准粒子的主要动机是几乎不可能直接描述宏观系统中的每个粒子。 例如，几乎看不见（0.1 毫米）的沙粒包含大约 1017 个原子核和 1018 个电子。 这些中的每一个都根据库仑定律相互吸引或排斥。 原则上，薛定谔方程准确地预测了这个系统的行为。 但本例中的薛定谔方程是 3×1018 维向量空间上的偏微分方程 (PDE)——每个粒子的每个坐标 (x,y,z) 为一维。 直接直接地尝试求解此类 PDE 在实践中是不可能的。 在二维空间上求解 PDE 通常比在一维空间上求解 PDE 困难得多（无论是解析还是数值）； 在 3 维空间上求解 PDE 更加困难； 因此，用直接的方法在 3×1018 维空间上求解 PDE 是完全不可能的。

一个简化因素是，作为一个整体的系统，就像任何量子系统一样，有一个基态和各种激发态，在基态之上的能量越来越高。

在许多情况下，只有能量相当接近基态的低位激发态才是相关的。 发生这种情况是因为玻尔兹曼分布，这意味着在任何给定温度下都不太可能发生非常高能量的热波动。

准粒子和集体激发是一种低位激发态。 例如，xxx为零的晶体处于基态，但如果将一个声子添加到晶体中（换句话说，如果使晶体在特定频率下轻微振动），则晶体现在处于低 卧兴奋状态。 单个声子称为基本激发。 更一般地，低位激发态可能包含任意数量的基本激发。