Czym są kwazicząstki?

Pytanie

Pyta Tomek

Mówi się, że elektron jest cząstką elementarną w sensie, że nie można go podzielić na mniejsze elementy tak jak np. proton na kwarki. Z drugiej strony istnieje zjawisko separacji spinowo-ładunkowej, w której elektron zachowuje się tak jakby składał się z trzech składowych, które opisywane są jako kwazicząstki. Moje pytanie dotyczy właśnie tego czym są kwazicząstki i jak eksperci sobie je wyobrażają? Czy można potraktować je jako coś rzeczywistego, czy jest to tylko „sztuczka” matematyczna która pozwala pokazać jakieś abstrakcyjne właściwości?

Odpowiedź

Odpowiada dr Miłosz Panfil

Kwazicząstka nie jest realną cząstką ponieważ nie istnieje poza materią. Jest jednak czymś więcej niż sztuczką matematyczną.

Kwazicząstki (czy wzbudzenia elementarne, takie jak drgania w krysztale) są sposobem myślenia o zjawiskach zachodzących w materii. Na przykład okazuje się, że jeżeli badamy przepływ prądu w półprzewodniku to właściwości półprzewodnika możemy zrozumieć gdy przyjmiemy istnienie cząstki właściwie identycznej do elektronu, tylko o innej masie. Lub o przeciwnym ładunku. Przyjmując potoczne rozumienie słowa istnieje, te cząstki nie istnieją; wiemy, że półprzewodnik, jak i reszta otaczającej nas materii, jest zbudowany z protonów, neutronów i elektronów o określonych masach i ładunkach. Kwazicząstki są więc efektywnym opisem zjawisk fizycznych.

Czy powoduje to, że nie są rzeczywiste? Analogia z siłą tarcia pozwoli zilustrować problem z szybką odpowiedzią na to pytanie. Jak wiemy siła tarcia jest wynikiem bardzo skomplikowanych oddziaływań na powierzchni dwóch poruszających się względem siebie przedmiotów. Na poziomie mikroskopowym, nie ma siły tarcia, jest za to oddziaływanie elektrostatyczne pomiędzy poszczególnymi atomami, które, gdy rozważamy duże przedmioty, przejawia się jako siła tarcia. Z tego punktu widzenia można uważać kwazicząstki za tak samo rzeczywiste jak rzeczywista jest dla nas siła tarcia.

Dodatkowo sprawę komplikuję co rozumiemy przez określenie cząstki fundamentalne. We wspomnianym wyżej półprzewodniku kwazicząstka jest wynikiem oddziaływań pomiędzy elektronami. Możemy ją sobie wyobrazić jako elektron otoczony chmurą innych elektronów, które poruszają się w miarę razem. Rozważmy teraz elektron poza przewodnikiem, w próżni. Badając właściwości takiego elektronu wydaje się, że badamy właściwości cząstki fundamentalnej. Właściwości tej cząstki są jednak modyfikowane przez fluktuacje próżni. Próżnia w fizyce kwantowej nie jest pusta, jest wypełniona pojawiającymi się i znikającymi parami cząstek i antycząstek, na przykład par elektron-pozyton. Te wirtualne cząstki oddziałują z naszym elektronem powodując na przykład to, że jego masa jest inna niż gdyby próżnia była faktyczną próżnią. Prowadzi to do pytania który z elektronów jest fundamentalny. Czy ten wyidealizowany w prawdziwej próżni, czy ten efektywny elektron którego obserwujemy w eksperymentach i którego właściwości są zmodyfikowane przez fluktuacje próżni. Jeżeli ten pierwszy, to czy jest on rzeczywisty, skoro jest właściwie niemożliwy do zaobserwowania? Jeżeli ten drugi, to czy jest naprawdę fundamentalny, skoro koncepcyjnie niewiele różni się od kwazicząstki?