准粒子 · aiwiki.page

准粒子是相互作用物理系统中的一种激发，在特定的能量范围和时间尺度内表现得像粒子。它的性质源于整个系统，而非某个孤立的基本组成粒子。在凝聚态物理学中，准粒子使人们能够用相对简单、通常相互作用较弱的激发来描述复杂的相互作用物质。例子包括受周围环境影响而改变的电子、量子化的晶格振动，以及光与物质的混合模式。准粒子描述是对可观测物理激发的有效描述，并不意味着产生了新的基本粒子。(nobelprize.org)

物理含义

固体或液体的微观组成粒子始终在相互作用。例如，加入一个电子，会改变其他粒子的运动和分布。因此，由此产生的激发并不仅仅是这个新加入的电子，而是电子连同周围系统对它的响应。这通常称为缀饰粒子：相互作用被纳入粒子的有效性质之中，准粒子之间则仍存在剩余相互作用。即使低能准粒子之间的相互作用相对较弱，微观层面的相互作用也可能很强。(nobelprize.org)

准粒子的色散关系、有效质量、寿命和电荷，可能与对底层组成粒子的朴素理解所推测的性质不同。这些性质属于介质中的激发。例如，表征导电电子准粒子响应的质量，并不简单等于电子在真空中的静止质量。(nature.com)

准粒子一词有两种相关的用法。在较狭义的朗道意义下，准粒子是与缀饰后的微观粒子相对应的长寿命激发。在更广泛的用法中，该术语也包括集体模式和混合激发，如声子、磁振子和极化激元。这些激发不一定对应于加入一个微观组成粒子：声子代表原子协同振动的一个量子。(nobelprize.org)

色散、谱权重与寿命

准粒子的色散关系 $E(\mathbf{k})$ 给出了其能量随波矢 $\mathbf{k}$ 的变化。在相互作用电子系统中，这一关系及激发的寿命都可以从多体格林函数及其自能得到；自能包含了相互作用的影响。自能的实部使激发能量发生偏移，虚部则描述阻尼。(doi.org)

在一个清晰可辨的电子准粒子峰附近，推迟格林函数可近似写为

G^R(\mathbf{k},E) \simeq \frac{Z_{\mathbf{k}}} {E-E_{\mathbf{k}}+i\gamma_{\mathbf{k}}} + G^R_{\mathrm{inc}}(\mathbf{k},E).

其中， $E_{\mathbf{k}}$ 是准粒子能量， $\gamma_{\mathbf{k}}$ 表征其线宽， $Z_{\mathbf{k}}$ 是其准粒子留数， $G^R_{\mathrm{inc}}$ 表示非相干背景。相应的谱函数表现为一个集中的峰，叠加在相干性较低的谱权重之上。留数衡量相干激发在单粒子响应中所占的权重，并非准粒子的电荷或质量。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

较窄的本征线宽表明激发具有较长的寿命。对于朗道准粒子，其寿命必须远长于与激发能量相对应的特征时间尺度。仅仅给宽展的谱指定一个峰位，并不能证明存在有用的粒子描述。此外，实验测得的展宽还可能包含本征衰变以外的影响，例如对不同动量取平均的效应。(nature.com)

朗道理论与历史发展

列夫·朗道的量子液体理论确立了准粒子作为核心概念的地位。在他对正常态液态氦-3的描述中，强相互作用的费米子在低能下被缀饰准粒子所取代，准粒子之间的相互作用则由少数几个唯象参数描述。他的理论还预言了零声，这是一种在碰撞变得稀少的低温区域仍能存在的集体模式；这一预言后来得到实验验证。(nobelprize.org)

朗道于20世纪50年代提出费米液体理论，其论文《费米液体理论》发表于1956年。该理论成为理解正常态氦-3和许多金属的框架。朗道因其凝聚态理论，尤其是液氦理论，获得了1962年的诺贝尔物理学奖；这一奖项并非仅针对准粒子研究。(jetp.ras.ru)

在普通费米液体中，随着准粒子的能量趋近化学势、温度降低，其寿命会越来越长。对于常规的三维费米液体，电子间相互作用对低能散射率的贡献具有以下特征形式：

\tau^{-1}\propto \xi^2+(\pi k_{\mathrm B}T)^2,

其中比例系数取决于材料， $\xi$ 为相对于化学势的激发能量。正是这一散射率的迅速下降，使系统即便存在相互作用，仍可在低能下采用类似粒子的描述。(nature.com)

主要实例

不同准粒子在激发对象、传播方式及所携带的量子数方面各有差异。

类型	物理解释
电子准粒子	由与介质的相互作用缀饰而成的类电子激发。
声子	晶格振动模式的一个量子，涉及原子的协同运动。
**[[magnon	磁振子]]**
**[[exciton	激子]]**
**[[polariton	极化激元]]**
**[[bogoliubov-quasiparticle	博戈留波夫准粒子]]**

电子的缀饰与声子体现了源于粒子的激发和集体激发之间的区别。磁振子是量子化集体波在磁性系统中的对应形式。激子和极化激元表明，准粒子也可以是束缚或混合对象，而不只是性质发生改变的电子。(nobelprize.org)

在呈现超导现象的系统中，博戈留波夫准粒子应与库珀对区分开来。库珀对构成配对的背景态，而准粒子则是这一背景态之上的激发。它们的电子—空穴混合及特征色散是BCS理论的核心特征，研究者已通过光电子能谱对其开展研究。(cfm.ehu.es)

分数量子霍尔效应中存在更为特殊的准粒子。其中一些携带的电荷为元电荷的某个分数，例如 $e/3$ 。这种分数电荷描述的是关联电子系统中的激发，并不意味着一个孤立电子被分割成了更小的基本粒子。(nobelprize.org)

观测与应用

人们通过物质对实验探针的响应来研究准粒子。角分辨光电子能谱学能够以能量和动量分辨的方式测量电子激发。因此，可以通过准粒子的谱学特征研究其色散、谱权重和线宽，不过在解释测得的强度时，需要考虑探针与材料的耦合方式。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

准粒子概念将微观相互作用与可测量的材料性质联系起来。电子准粒子有助于解释金属中的低温电输运和光学响应。将晶格振动视为声子气体，能够有效解释固体的热容。激子和极化激元在半导体光谱中，以及有关发光、光学非线性和人工调控光与物质相互作用的研究中，都具有重要意义。(nature.com)

电子结构计算方法也会使用准粒子能量。例如，GW近似用于估算经相互作用修正的带电激发能量，广泛应用于理论光电子能谱学，以及分子和材料的电子激发计算。(arxiv.org)

描述的局限

准粒子描述只在适当的条件范围内有效。低能下具有清晰谱峰的激发，在较高能量或温度下可能受到强烈阻尼。强关联可以使谱权重重新分布、改变有效参数，并最终使常规的类电子准粒子图景失效。金属—绝缘体转变附近的实验还表明，金属输运性能不佳并不一定立即意味着准粒子完全不存在。(doi.org)

朗道描述失效，并不一定意味着所有类似粒子的激发都消失了。在一维量子液体中，其他集体激发和分数化激发能够提供有用的描述，微观粒子与涌现激发之间的关系也可能与常规金属中的情况大不相同。因此，必须针对特定的激发和可观测量来判断准粒子是否存在，而不能将其视为材料一种非有即无的性质。(arxiv.org)

参考来源

David M. Lee — Nobel Lecturenobelprize.org
Rise and fall of Landau’s quasiparticles while approaching the Mott transitionnature.com
Density-functional Green function theory: dynamical exchange-correlation field in lieu of self-energydoi.org
The GW Compendium: A Practical Guide to Theoretical Photoemission Spectroscopypmc.ncbi.nlm.nih.gov
Fermi polarons at finite temperature: Spectral function and rf-spectroscopyarxiv.org
The Theory of a Fermi Liquidjetp.ras.ru
The Nobel Prize in Physics 1962nobelprize.org
Exciton-Photonics: From Fundamental Science to Applicationsarxiv.org
BCS-like Bogoliubov Quasiparticles in High-Tc Superconductors Observed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopyarxiv.org