- •General aspects
- •Introduction
- •Single particle
- •General aspects
- •Traps
- •Many particles
- •Basics of second quantization
- •Bosons
- •Fermions
- •Single particle operator
- •Two particle operator
- •Bosons
- •Free Bose gas
- •General properties
- •BEC in lower dimensions
- •Trapped Bose gas
- •Parabolic trap
- •Weakly interacting Bose gas
- •BEC in an isotr. harmonic trap at T=0
- •Comparison of terms in GP
- •Thomas-Fermi-Regime
- •Fermions
- •Free Fermions
- •General properties
- •Pressure of degenerated Fermi gas
- •Excitations of Fermions at T=0
- •Trapped non-interacting Fermi gas at T=0
- •Weakly interacting Fermi gas
- •Ground state
- •Decay of excitations
- •Landau-Fermi-Liquid
- •Zero Sound
- •Bardeen-Cooper-Shieffer-Theory
- •General treatment
- •BCS Hamiltonian
- •General energy-momentum relation
- •Calculation for section 3.3.1
- •Lifetime and Fermis Golden Rule
- •Bibliography
Chapter 2
Bosons
2.1Free Bose gas
2.1.1General properties
For a free BOSE gas the HAMILTONian is
ˆ |
† |
(2.1) |
H = å(e~p |
m)apap: |
~p
At high temperature we have classical behavior; we consider only ultra cold gases for which
~ |
n |
1 |
~ |
2 |
2 |
|
(2.2) |
|||
|
|
|||||||||
|
|
|
3 |
TQ |
|
n 3 |
; |
|||
q |
|
m |
||||||||
|
2mTQ |
where TQ is the quantum degeneracy temperature. With this HAMILTONian at T & 0 the ground state is identical to the product of the single particle ground states and the fixed average density 1 is given by
n¯= håa†papi |
= hånpi = å |
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1 |
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(2.3) |
|||||||
|
ep |
m |
|
||||||||||
Z |
p |
|
p |
|
p |
exp( |
T |
|
) 1 |
||||
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d3 p |
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1 |
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(2p~)3 exp(epT m ) 1 |
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||||||||
= |
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|
: |
|
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(2.4) |
This equation defines m; two properties can be derived from it:
1. m e0 = 0 because n must be positive
1Note that we take the quantum mechanical as well as the statistical average
17
18 |
CHAPTER 2. BOSONS |
2. The density of states at energy e is |
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||||||||||
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d3 p |
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~p2 |
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|||||
n(e) = å~p d(e ep) = Z |
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|
d e |
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|||||||||||||||
(2p~)3 |
2m |
||||||||||||||||||||||
|
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|
∞ |
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2 |
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= 4p (2p1~)3 Z0 |
d p p2d e 2m |
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||||||||||||||||||
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|
|
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|
|
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|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
3 |
|
|
∞ |
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|||
|
2m |
|
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T 0 |
||||||||
= |
|
|
4p |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
2p~ ! |
|
Z |
dx pxd(e x) pe &! 0: |
|||||||||||||||||||
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Obviously the ground state is not counted properly. |
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|||||||||||||||||||
Analyzing the occupation of each state |
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||||||||
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np = |
|
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1 |
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|
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|
||
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
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|
|
|
+ |
) |
|
|
|
|
|
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||||
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|
exp |
|
(ep Tjmj |
|
1 |
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|
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|
(2.5)
(2.6)
(2.7)
(2.8)
we can distinguish two cases: |
|
|
1. |
At a given ~p and m |
|
|
T # : np # |
(2.9) |
2. |
At a given ~p and T |
|
|
jmj # : np " |
(2.10) |
Therefore, to keep the average density fixed, we have to decrease the modulus of the chemical potential with decreasing temperature:
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|
T # ) jmj # |
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(2.11) |
|||||||||||||
But m 0 hence we can define TC to be the temperature where m = 0: |
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||||||||||||||||||||||||||||||
n¯= Z |
d3 p |
|
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1 |
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x2 = |
|
p2 |
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(2.12) |
|||
(2p~)3 |
|
exp |
|
p2 |
|
|
1 |
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|
2mTC |
|
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|||||||||||||||
|
|
|
∞ |
x2 |
|
|
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|||||||||||||||||||
3 |
|
|
4p |
|
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||||||||||||
|
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|
2mTC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
= (2mTC)2 |
|
|
Z0 |
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.13) |
|||||||||||||
(2p~)3 |
ex2 1 |
|
|
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|||||||||||||||||||||
3 |
1 |
|
Z |
dx x2e x |
2 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
= (2mTC)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.14) |
|||||||||||||||||
2p2~3 |
|
|
1 e x2 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
= (2mTC)2 |
2p2~3 |
|
|
|
x |
2 |
|
= |
|
2p~2 |
|
x |
|
2 |
|
(2.15) |
|||||||||||||||
|
4 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
3 |
1 |
|
pp |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
mTC |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
2.1. FREE BOSE GAS
Here we have used
∞ |
|
∞ |
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|
∞ |
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|
|||||
Z |
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||
n=0 |
|
|
|
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|
|
n=1 |
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||||||||||||||||
|
dx x2e x2 |
å e nx2 = dx x2 |
å e nx2 |
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|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
∞ |
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
2 |
4 |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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|
Z0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||
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|
n=1 n 2 |
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
= å |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
dy y2e y2 = x |
3 |
|
|
1 |
pp |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Z0 |
dy e ay |
|
= 2 r |
|
|
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|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
|||||||||
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
∞ |
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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Z0∞ dy y2e ay2 = |
¶ |
|
Z0∞ dy e ay2 : |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
¶a |
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Therefore the critical temperature is |
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|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
23 |
~2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
TC = (2p) x |
|
|
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|
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n¯3 = 3:31 |
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n¯3 : |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
m |
|
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|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
For T < TC we can now rewrite |
|
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|
|
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|||||||
|
n¯= n0(T ) + Z |
|
|
|
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|
d3 p |
|
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|
|
|
|
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|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
|
|||||||||||||||
|
|
(2p~)3 |
|
exp |
|
|
|
|
ep |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
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|
|
|
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|
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|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
= n0(T ) + Z |
|
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d3 p |
|
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|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
(2p~)3 |
exp |
|
|
|
|
|
p2 |
|
|
TC |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
2mTC T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
d3 p |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
= n0(T ) + |
|
|
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
TC |
|
(2p~)3 |
exp |
|
|
|
|
p2 |
|
|
|
|
1 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n¯ |
2mTC |
|
|
|
||||||||||||||
|
n0(T ) = n "1 |
T |
|
|
|
|
|
|
2 |
# |
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
{z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
} |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
TC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|||||||||||||||||
|
np = n0(2p~)3d(~p) + |
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exp |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2mTC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
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{z |
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} |
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|||||||||
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1 |
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||||||||||||||
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p2 |
d |
(~p) |
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19
(2.16)
(2.17)
(2.18)
(2.19)
(2.20)
(2.21)
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
This means, we have a macroscopic occupation of the ground state, i.e. BOSE- EINSTEIN condensation (BEC).
Further properties:
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2 |
5 |
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|
E = å |
p |
(2.26) |
||
np T 2 |
||||
2m |
||||
p |
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20 |
CHAPTER 2. BOSONS |
For T = 0 all particles are in the ground state with e0 = 0. But m = 0 also therefore the energy E0 of the system is independent of the number of particle and hence unphysical particle number fluctuations are expected. Further
ˆ |
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† |
T <T |
p2 |
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C |
|
† |
||
H = å(ep |
m)apap ! å |
|
apap |
||
2m |
|||||
|
p |
|
p |
|
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~ |
† |
|
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P = å~p apap: |
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|
p
(2.27)
(2.28)
This means that the excitations are identified with particles.
2.1.2 Superfluidity in Free Bose Gas condensate
Dissipation means creations of excitations with momentum ~p opposite to the gas velocity due to the interaction of the gas with wall. These excitations decrease the momentum of the gas and and stops it after some time. If the medium is superfluid, no such excitations occur. At T 0 no thermal excitations are present, only interactions with the walls are relevant. To find out if those excitations occur,
we have check, whether Ebefore > Eafter. To describe the situation we have to look at two different frames of reference:
Figure 2.1: Frames of reference
0 0 = ~ 0 = ~ =
Before k : E E0, P 0 (no excitations, all particles in ground state with p 0)
k : E = E |
+ 1 MV 2 |
|
||
0 |
2 |
|
|
|
After E0 = E0 + ep, ~P0 = ~p1 (small) |
||||
1 |
2 |
+ ep |
~ |
|
E = E0 + 2 MV |
|
+~p V |