跳至內容

朗道量子化

本頁使用了標題或全文手工轉換
維基百科,自由的百科全書

朗道量子化是指均勻磁場中帶電粒子的迴旋軌道發生的量子化。這些帶電粒子能量在一系列分立的數值中取值,形成朗道能階。朗道能階是簡併的,每一能階上電子的電子數量與外加磁場的強度成正比[1]:267。由朗道量子化可以得出外磁場會導致材料中電子性質的振盪[1]。這一理論是由蘇聯物理學家列夫·朗道於1930年提出的[2]

推導

[編輯]

朗道量子化可以通過準經典的方法部分導出[1]:255-258。這裏採用量子力學的方法進行推導:

考慮一個帶電粒子組成的二維系统。這些粒子無內部相互作用,所帶電荷為q,自旋量子數為S,並被限制在x-y平面內一個面積A = LxLy的區域內。

對這一系統施加一個沿z軸的均勻磁場。由於自旋對於這個二維系統沒有影響[3],因而在下面的推導中將忽略自旋。在CGS單位制下,這個系統的哈密頓算符為:

式中正則動量算符為磁場的磁向量勢,與磁感應強度的關係為:

給定磁場的磁向量勢具有一定的規範自由度。當被添加一個純量場梯度時,波函數的整體相位也會隨着純量場產生一定的變化,但由於哈密頓算符具有規範不變性,系統的物理性質並不受選定的規範影響。為了簡便計算,這裏選擇朗道規範英語Landau gauge

式中B=|B|,x為位置算符x方向上的分量。

在這一規範下,系統的哈密頓算符為:

算符與這一哈密頓算符是對易的。這是因為在選定規範時,算符被忽略掉了,因而算符可被它的本徵值ħky替代。

如果設定迴旋頻率ωc = qB/m,那麼可以得出此時哈密頓算符為:

這與量子諧振子的哈密頓算符基本一致,但位能的最小值需要在位置表象中移動x0 = ħky/mωc

注意到諧振子位能的平移並不會影響到系統的能量,也就是說這一系統的能量與標準的量子諧振子一致:

由於能量與量子數ky無關,因而會存在一定的簡併態

由於與哈密頓算符是對易的,因而系統的波函數可以表示為y方向上動量的本徵值與諧振子本徵矢的乘積,但也需要在x方向上移動x0,即:

總之,電子的狀態可以通過nky這兩個量子數表徵。

朗道能階

[編輯]

朗道量子化所造成的效應只能在平均內能小於能階間差值,即kT ≪ ħωc時才能被觀測到。簡單來說就是溫度較低,外磁場較強。

每個朗道能階都具有一定的簡併度,因為量子數ky的取值情況為:

,

式中N為整數。N所允許的取值受到振子的運動中心坐標x0的影響。振子的運動必須在系統範圍內,也就是說0 ≤ x0 < Lx。這給出了N的取值範圍:

對於帶電量q = Ze的粒子來說,N的上限可以表記為磁通量的比值:

式中 Φ0 = h/e為磁通量的基本量子,Φ = BA是系統的磁通量,面積A = LxLy

因而對於自旋為S的粒子,每個朗道能階的簡併度的最大值D為:

上述討論只是在有限尺度內給出的粗略的結果,嚴格來說,諧振子解只對在x方向上不受限的系統有效,如果系統尺度Lx是有限的,那個方向上的束縛態條件會導致磁場中的非標準量子化情況。原則上,兩個都是埃爾米特方程式的解。多電子對於朗道能階的填充仍是研究熱點之一[4]

一般來說,朗道能階可以在電子系統中被觀察到,其中Z=1,S=1/2。隨着磁場增強,越來越多的電子會佔據朗道能階。最高的朗道能階的佔據情況會導致多種電子性質振盪,如德哈斯-范阿爾芬效應舒布尼科夫-德哈斯效應

如果考慮到塞曼效應的話,那麼每個朗道能階都會分裂為一對能階:一個為自旋向上的電子佔據的能階,一個是自旋向下的電子佔據的能階。此時每個自旋朗道能階的簡併度就會是磁通量的比率:D = Φ/Φ0。兩個能階與分裂前的能階間隔是相同的: 2μBB = ħω 。然而在多個能階被佔滿時,系統的費米能與基態的能量卻是大致相同的,因為塞曼效應造成的影響,在這些能階相加時會被抵消掉。

討論

[編輯]

在上面的推導過程中,xy似乎並不對稱。然而,考慮到系統的對稱性,並沒有物理量能表徵這兩個坐標的區別。在對xy進行適當的內部變換後,可以得到相同的結果。

此外,上述推導中電子在z方向上運動受限的情形儘管在實驗中確實存在,如二維電子氣。但這一假設並不基本。如果電子在z方向上可以自由移動,那麼波函數還需要乘以一個因子exp(ikzz),能量對應地需要加上(ħ kz)2/(2m)。這一項會「填入」能階間隙,從而減小量子化的效果。但在垂直於磁場的平面x-y上的運動仍是量子化的。

對稱規範中的朗道能階

[編輯]

選定對稱規範:

對於哈密頓算符進行去因次化:

實際值可以通過引入等常數得出。

引入算符

這些算符的對易關係為:

.

哈密頓算符可記為:

朗道能階序數的本徵值。

角動量z方向上的分量為:

利用其與哈密頓算符可對易,即,我們選定的本徵值為使對角化的本徵函數。易見,在第個朗道能階上存在。然而的值可能非常大。在下面將推導系統表現出的有限簡併度。

使用可以使減小一個單位同時使保持不變,而則可以使增大一個單位,同時令減小一個單位。類比量子諧振子,可以得到:

在朗道規範與對稱規範下,每個朗道能階上的簡併軌道分別以量子數ky表徵,每個朗道能階上單位面積的簡併度是相同的。

可以證明選定下面這個波函數時,也可以得到上面得到的結果:

式中

特別地,對於最低的朗道能階,即時,波函數為任意一個解析函數高斯函數的乘積:

規範變換的影響

[編輯]

進行這樣的規範變換:

運動學動量的定義為:

式中為正則動量。哈密頓算符是規範不變的,因而也會在規範變換後保持不變,但會受到規範變換的影響。

為了考察規範變換帶來的影響,設磁向量勢為時的量子態為

由於是規範不變的,可以得到:

設算符會使,則:

綜上所述:

參考文獻

[編輯]
  1. ^ 1.0 1.1 1.2 黃昆; 韓汝琦. 《固体物理学》. 北京: 高等教育出版社. : 255–274. ISBN 978-7-04-001025-1 (中文(中國大陸)). 
  2. ^ Landau, L. D. Diamagnetismus der metalle. Zeitschrift für Physik. 1930, 64 (9-10): 629–637 [2016-01-15]. doi:10.1007/BF01397213. (原始內容存檔於2019-05-02) (德語). 
  3. ^ Л·Д·朗道; Е·М·栗弗席茲; 嚴肅(譯); 喀興林(校). 《理论物理学教程第三卷·量子力学(非相对论理论)》. 北京: 高等教育出版社. : 416–420. ISBN 978-7-04-024306-2 (中文(中國大陸)). 
  4. ^ Mikhailov, S. A. A new approach to the ground state of quantum Hall systems. Basic principles. Physica B: Condensed Matter. 2001, 299: 6. doi:10.1016/S0921-4526(00)00769-9 (英語). 

參見

[編輯]