电子-声子相互作用

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[拼音]:dianzi shengzi xianghu zuoyong

[英文]:electron-phonon interaction

点阵振动和电子的作用。固体中的电子受到组成点阵的正离子对它的作用。由于离子并非静止,它们总是在平衡位置附近振动著(见点阵动力学),它们对电子的作用可以分为两部分:一部分是静止在平衡位置(即点阵阵点)上的离子造成的周期性电场。周期场除了使电子的能谱形成能带(见固体的能带)以外,并不造成对于电子的散射,即在周期场中运动的电子的能量、动量(准动量)不变;另一部分是振动所造成的相对于周期性电场的偏离的影响。由于这是离子运动的效果,所以是随时间变化的。离子的振动可分解为各种频率、波矢和偏振的简正模(见点阵动力学)。各个简正模的振动态都是量子化的,点阵的振动可以用各种频率、波矢和偏振的声子来描写。电子-声子相互作用指的就是点阵振动和电子的相互作用。

振动著的点阵,因为电场偏离了周期性,使电子受到散射。散射的效果是电子和振动点阵之间发生动量和能量的交换。电子的能量和动量可以转移给点阵,加剧了点阵的某一简正模的振动,升高了该简正模的量子化能级,结果是电子给出能量和动量,发射一个声子;反之,通过相互作用,点阵的一个简正模也会降低它的量子化能级,而把能量和动量交给了电子,这便是电子吸收一个声子而获得了能量和动量。这种发射和吸收的过程,是电子-声子相互作用的基元过程。发射或吸收声子前后电子的能量和动量变化与被发射或吸收的声子的能量和动量之间的关系,由能量和动量的守恒条件来确定。

电子-声子相互作用引起许多固体的物理效应。它是纯净而无缺陷的金属之所以有电阻的原因(见固体的导电性)。电子-声子相互作用又会导致电子有效质量的修正(见准电子)。在离子晶体中,形成极化子(见固体中的元激发)的主要因素也是电子-声子相互作用。

另一个重要物理现象──超导电性──的起因,也是电子-声子相互作用。1950年发现了超导体同位素效应:同一超导元素的临界温度与各同位素的质量的平方根成反比。这是电子-声子相互作用成为超导电性的基本起因的实验启示。现在知道,超导电性的原因是费密面附近的电子之间会因电子-声子相互作用而存在等效的吸引力。这种吸引力可理解为一个电子发射声子,后者随即又被另一个电子吸收的结果。只有对于费密面附近的电子,这种交换声子的过程使电子间互相吸引,而在其他电子间则不是这样。根据量子力学的测不准关系,作为过渡的声子的能量并不需要满足守恒关系,所以各种声子对吸引力都有贡献。吸引力的强弱直接决定超导临界温度的高低(见超导微观理论)。

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