Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Baranov.Introduction to Physics Of Ultra Cold Gases.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
27.08.2013
Размер:
586.56 Кб
Скачать

70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CHAPTER 3. FERMIONS

which leads to

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

=

 

 

+ 1

(3.199)

 

2

e

F0

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

) e =

 

e F0

(3.200)

 

 

 

e2

This is a collective mode in a degenerated collisionless regime (zero sound) with the velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c0 = vF

 

 

1 +

 

 

e F0 vF

 

 

 

 

(3.201)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

compared to sound in the hydrodynamic regime:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¶p

 

 

 

 

1 ¶p

1

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c12 =

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

B

 

n

 

eFC

 

 

 

 

(3.202)

¶r

m

n

m

n

3

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

E

C

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1 6

@

 

 

2

 

 

 

A

6

2

3

 

2

 

 

 

 

 

 

0

 

2

3

 

 

|{z}3

1 5 1 1

 

n

3

= m n

5 n 2m

pg~

 

 

n

1

 

= m 3 5 m

 

pg~

 

(3.203)

 

 

 

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pF

 

 

 

vF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

c1 = p

 

 

 

 

 

 

(3.204)

3

m

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

This is ordinary hydrodynamic sound.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If F0 was negative s became a complex number with real and imaginary parts being of the same order. Hence, in this case the collective mode is overdamped and of no interest.

3.5 Bardeen-Cooper-Shieffer-Theory

3.5.1 General treatment

If we consider two FERMIons in vacuum we have a simple quantum mechanical problem. We use the frame of reference where the center of mass is at rest:

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

(3.205)

 

 

 

 

 

 

 

P = ~p1 +~p2 = 0

 

 

 

Here we can write the SCHRÖDINGER

equation as

 

 

 

 

 

 

~2

 

2

2

 

 

 

y(~r1

 

 

 

 

 

 

 

Ñ1

+ Ñ2

+UI

~r1 ~r2

;~r2) = Ey(~r1;~r2)

(3.206)

2m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~p(~r1

 

~r2)

 

 

 

 

 

 

 

 

y(~r1

;~r2) = åc~pe

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

(3.207)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~p

3.5. BARDEEN-COOPER-SHIEFFER-THEORY

71

i.e. we decompose the wave function into plane waves. Inserting this decomposition we get the SCHRÖDINGER equation in momentum space

(e1 + e2)c~p + åUI(~p ~p 0)c~p 0

= Ec~p

(3.208)

 

 

~p 0

 

 

 

 

 

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2

 

 

e1 = e2 =

 

= ep

 

(3.209)

 

 

 

 

 

 

 

2m

 

 

since both particles are identical.

Rewriting the SCHRÖDINGER

equation once

more we have

 

 

 

 

 

 

 

(E 2ep)c~p = åUI(~p ~p 0)c~p 0

or

(3.210)

 

~p 0

 

 

 

 

 

 

 

c~p =

 

1

 

 

åUI(~p ~p 0)c~p 0

(3.211)

E

2

 

 

 

 

 

ep ~p 0

 

 

This discussion is still exact. Now we use a model for the interatomic potential

U

p

 

p

 

 

 

 

V0

¯

(3.212)

 

 

 

 

 

0 ep;ep0 w

I

(~

~ 0) =

(0

 

otherwise

 

In ordinary space this expression looks rather strange.

 

Using this model we have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

¯

 

˜

 

c~p

= E

 

2

 

 

(3.213)

 

 

 

Θ(w

ep)V0åc~p 0

 

 

 

 

 

ep

 

~p 0

 

The tilde denotes that the sum obeys the constraint

 

 

 

 

 

 

 

 

ep0 w¯

(3.214)

To solve this expression, we sum over all coefficients

 

 

 

˜

 

 

 

 

˜

1 ˜

 

 

åc~p

= V0å

 

 

åc~p 0

(3.215)

 

 

 

 

 

~p

 

 

 

 

~p E 2ep ~p 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

˜

1

 

 

 

 

, 1 = V0å~p

 

 

(3.216)

 

 

E 2ep

Since we are looking at an attractive interaction and more specifically for bound states we have

V0 = jV0j E = 2

(3.217)

72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CHAPTER 3. FERMIONS

where is the binding energy per particle. Using this we have

 

 

1

 

 

˜

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 =

 

 

jV0jå

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.218)

2

 

+ ep

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

jV0jZ0

de n(e)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.219)

2

 

 

+ e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

w¯

 

 

mp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2m

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

jV0jZ0

de

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.220)

2

2p2~3

 

 

+ e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mp

 

 

Z0

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x2

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

 

2m

 

w¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.221)

 

jV0j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2p2~3

 

 

 

 

 

 

 

 

+ x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mp

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

w¯

 

 

 

 

 

1

 

 

= jV0j

2

Z0

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

(3.222)

2p2~3

 

 

 

 

 

 

+ x2

 

 

 

 

 

mp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

= jV0j

2

pw¯ p

 

 

arctan p

w

 

 

(3.223)

2p2~3

 

 

 

 

 

 

mp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

jV0j

 

npw¯

 

 

 

 

p

o

 

 

 

 

 

 

 

(3.224)

2p2~3

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

= jV0jn(w¯)(1

2 r

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.225)

w¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Here we assumed that w¯ and thus the arcus tangent can be approximated as p2 . Solving this we have

r

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

=

 

1

 

 

> 0

(3.226)

¯

 

 

V (

)

w

p

 

j

0jn eF

 

 

 

Therefore we have threshold (i.e. a minimal jV0j) before a bound state appears. Now we want to consider two FERMIons on top of a filled and frozen F ERMI sphere. Frozen means that we will not consider interactions of the particles inside the FERMI sphere with our two extra particles. In this case we have

ep;ep0 eF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.227)

c~p =

1

 

 

~p

0

cp

 

(3.228)

 

~p 0 ~pF

0

E 2ep

 

å

UI ~p

 

 

 

 

We assume for the potential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I(~ ~ 0) = (0

otherwise

 

 

 

 

 

 

¯

 

U p p

V0

eF ep;ep0

eF + w

(3.229)

3.5. BARDEEN-COOPER-SHIEFFER-THEORY

 

 

73

Now we define

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xp = ep eF 0

 

 

(3.230)

and note that the energy of the ground state is now

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E = 2eF 2

 

 

 

(3.231)

where is the binding energy per particle.

 

 

 

 

 

 

 

 

Again we can rewrite the SCHRÖDINGER

 

equation in our case as

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

=

Θ(w xp)

V

˜ c

 

 

(3.232)

 

 

 

~p

 

2( + x

) j

0jå ~p 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

~p 0

 

 

 

 

 

 

¯

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The tilde denotes xp0 w.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Using the same method with

w eF as before we get

 

 

1

˜

1

 

1

 

 

¯

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

w

 

 

 

 

 

 

 

1 =

 

jV0jå~p

 

 

=

 

jV0jZ0

 

 

dx n(eF + xp)

 

 

(3.233)

2

+ xp

2

 

 

+ xp

 

2 jV0jn(eF)ln

+ w

2 jV0jn(eF)ln w

(3.234)

 

1

 

 

 

¯

 

1

 

 

 

 

¯

 

 

In the last step we approximated again

 

 

¯

 

 

 

 

w

. solving this for the binding energy

we see, that there is always a solution regardless of the strength of the potential

= we

 

2

 

C

 

1956

(3.235)

jV0jn(eF)

OOPER

¯

 

 

 

This is of course a toy model. The solution including the interaction between all particles – not only between extra ones – has basically the same form except the factor 2 in the enumerator of the exponent is replaced by 1.

This result means that FERMIons with ~p and ~p 0 become correlated, they form a "COOPER-Pair".

The shift in energy can be approximated as

vF p

,

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

(3.236)

 

 

 

 

 

 

vF

If we denote the size of the correlation as x we can approximate

 

x

~

 

~

vF

~ eF

~

 

 

 

(3.237)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

pF

 

pF

This means the the size of the correlation is much larger than the mean interparticle distance. Therefore a mean field theory can be applied for this system.

Соседние файлы в предмете Физика конденсированного тела