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:
Здесь, и являются операторами рождения и уничтожения фермионов, а и являются операторами рождения и уничтожения антифермионов. Заметим, что частицы и античастицы описываются одним и тем же полем, которое мы будем называть . Также заметим, что эти операторы удовлетворяют соотношениям
В обозначениях конденсированной материи мы могли бы аналогичным образом иметь операторы рождения и уничтожения для некоторого состояния многих тел, которое мы будем называть и (для простоты мы рассматриваем бесспиновые фермионы). Из многочисленных текстов и на своих занятиях я узнал, что 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.
Это просто соглашение писать гамильтониан Дирака в терминах электронных и позитронных операторов. Оператор создает «дырку», т. е. позитрон, что равносильно уничтожению электрона. Таким образом, мы могли бы точно так же определить и запишем гамильтониан в терминах и вместо и . Тогда все выражается в терминах электронных операторов.
Так что мы сводим к вопросу, зачем вам два набора операторов и . Причина просто в том, что дисперсионное соотношение уравнения Дирака имеет вид , 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 все состояния с отрицательной энергией заняты, так как . 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.)