Второе квантование в конденсированных средах и квантовая теория поля

По-видимому, существует очевидная дихотомия между интерпретацией вторично-квантованных операторов в конденсированных средах и собственно квантовой теорией поля. Например, если мы посмотрим на Пескина и Шредера , гамильтониан для квантованного гамильтониана поля Дирака задается уравнением. 3.104 на с. 58:

(3.104) ЧАС "=" г 3 п ( 2 π ) 3 с Е п ( а п с а п с + б п с б п с ) .

Здесь, а п с и а п с являются операторами рождения и уничтожения фермионов, а б п с и б п с являются операторами рождения и уничтожения антифермионов. Заметим, что частицы и античастицы описываются одним и тем же полем, которое мы будем называть ψ . Также заметим, что эти операторы удовлетворяют соотношениям

а п с "=" б п * с , а п с "=" б п * с

В обозначениях конденсированной материи мы могли бы аналогичным образом иметь операторы рождения и уничтожения для некоторого состояния многих тел, которое мы будем называть с я и с я (для простоты мы рассматриваем бесспиновые фермионы). Из многочисленных текстов и на своих занятиях я узнал, что с я можно интерпретировать как оператор рождения дыры, которую можно рассматривать как конденсированный эквивалент античастицы.

Почему в квантовой теории поля нужны отдельные операторы рождения и уничтожения для фермионов и антифермионов, а в конденсированных средах мы можем просто рассматривать оператор уничтожения как оператор рождения «античастицы»? Насколько я понимаю, существует фундаментальное различие между операторами вторичного квантования поля Дирака и операторами вторичного квантования конденсированного вещества, но я не могу найти никаких ссылок, в которых это обсуждается. Будем признательны за любое объяснение, а также любые ссылки на уровне Пескина и Шредера.

Ответы (1)

Это просто соглашение писать гамильтониан Дирака в терминах электронных и позитронных операторов. Оператор б п с создает «дырку», т. е. позитрон, что равносильно уничтожению электрона. Таким образом, мы могли бы точно так же определить с п с "=" б п с и запишем гамильтониан в терминах а и с вместо а и б . Тогда все выражается в терминах электронных операторов.

Так что мы сводим к вопросу, зачем вам два набора операторов а и с . Причина просто в том, что дисперсионное соотношение уравнения Дирака имеет вид Е "=" ± п 2 + м 2 , поэтому при любом заданном импульсе есть две полосы. Следовательно, вам нужен один оператор, который создает/уничтожает электрон в верхней полосе, и один, который создает/уничтожает электрон в нижней полосе. Это в равной степени верно и для системы конденсированного состояния, рассматриваемой в импульсном пространстве, если имеется несколько зон.

(Что касается того, почему выбрано это соглашение: в релятивистской квантовой теории, если вы записываете все в терминах электронов, вы вынуждены заключить, что вакуум | 0 все состояния с отрицательной энергией заняты, так как с п с | 0 "=" 0 . На самом деле это была исходная картина Дирака, но концептуально легче представить, что вакуум не содержит частиц. С другой стороны, в физике конденсированного состояния мы привыкли думать о наших твердотельных материалах как о содержащих много электронов, поэтому на самом деле менее запутанно придерживаться противоположной точки зрения.)