Eschrig - Theory Of Superconductivity, A Primer
.pdf9 MICROSCOPIC THEORY: PAIR STATES |
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sum over all possible ontra tions |
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(174) |
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In the se ond line |
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(171) was insert |
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f (172), and the |
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were fa tored out of |
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|
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volume |
V |
(173),while the sum runs over all |
|
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|
produ ts for |
|
ets of N disjun t k-values out |
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of thamplesh. This disjun t natu(in nite)of |
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|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
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|
|
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|
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yields terms with 0, 2, 4, . .periodi. ^ - |
|
|
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|
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|
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|
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t rms with exa tly those N ^ -operators that orrespodet |
|
|
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|
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|
|
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|
|
|
|
|
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mos |
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easily btained by |
|
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i ommuting a sult |
|
|
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|
|
|
|
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|
|
perators to thstatesoperatorsrigh of all r ation op |
|
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nd are usually alled ano tra tions; |
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
iginal order of the operators, |
|
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|
|
|
sum |
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produ tover |
|
|
|
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k |
, whi h multiplies ea on |
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
|
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|
runs |
|
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|
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many k-valu s |
|
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|
|
|
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|
|
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|
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|
1 |
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N |
of the sums. Likdepea annihilationindividu |
|
|
|
tribut |
, it depends on the |
hemi al potenratoial |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
|
|
|
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. At this point onemesh,ust real ze that theng |
k |
|
|
|
|
|
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|
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surfa e ( f. (161)). Hen e, the ontributionfa tor |
|
0 |
1 |
; : : : ; x |
N |
|
|
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only for all k -ve tors inside the Fermi surfa e, and |
|
|
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value |
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|
|
with an in reasing umb |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
h kermi-ve tors and de reases |
|
|
gain, |
|
|
|
an appre iable |
|
|
umber of k -ve tors falls outside of the Fermi |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
surfa e: |
the norm of (172) is maximalif |
|
|
|
N-values suthisthat theinkreas2 o upy essentially all mesh points |
inside the Fermi surfa e. That is, this norm is non-negligible only for those N-values orresponding to 52
the |
|
|
|
umber |
n the |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
normal Fermi |
|
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|
|
|
|
|
is a grandanoni al state with a sharp |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
The result is maximstate j |
|
|
|
originalonsisting of pairs of |
|
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|
|
|
|
|
|
(pair-orbital) ( ) |
|
|
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In ordele tronto analyze what this pair-orbital ( ) looks lik |
|
|
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|
and v |
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may be written as |
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parti leumber |
|
|
|
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um |
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|
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the a |
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oni al N-v |
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lue. W |
|
|
did0 |
not tra e normalizing fa tors in (173) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and us a sign of approximation |
|
|
|
|
(174) ag |
n, assumig |
( ) to be normalized. |
|
|
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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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(161)) |
|
|
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F |
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f( = 0); |
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|
|
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|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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1 |
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~v |
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|||||||||
By omparison |
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0 |
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|
r of |
|
|
|
he |
|
|
w |
|
|
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|
in the pair, their distan e |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
(173), is the distan e ve |
|
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|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
on |
|
verage being of the order of 0 |
, |
|
|
|
|
|
ile the pair-orbital |
|
|
|
|
lenottronsdepend on the position R of |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
is |
|
|
lane w v |
with w v |
|
|
ve tor K = 0. |
|
Mor tover, again |
|
due to (173), all N=2 10 |
|
|
ele tron |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
pairs o upy the |
|
ame delo alized pair-o bital in the BCS ground state |
j |
|
|
|
: this ma ros opi ally |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the enter of gravity of |
|
|
|
he pair: |
|
|
|
|
|
|
h respe t |
|
|
|
|
|
the enter |
of gravity the pair is delo alized, |
it |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
weakly oupledsuperdeterminedypdependonduI tor,ondu tor this ratioeleis tronsypially |
|
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23 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
o upied |
|
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|
(th |
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is, onstanwitin R- |
|
|
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|
pair- |
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|
|
is the ondensate w vefun tion of the |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
re ly thedelo veragealized |
distan e |
|
0 |
|
of the |
|
F |
|
|
(173) |
|
pair whi h |
an be ompared to the |
v |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
For a real |
|
|
|
tate, |
and |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
the |
|
stru tur |
|
oforbitalj |
ensures that the solution of the BCS |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
the gap anspab |
measurede) |
(for instan e by measuring ther |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
superdistan ondue |
ofting |
|
arbitrary |
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0 |
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x itationele trons in the solid given by the ele tron densitodynami. Forerage |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
model is |
|
|
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|
. |
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0 |
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|
|||||
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
Fermi velo ity v |
|
of |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
in the norm l state, this measurem Withyields |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
independen |
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
quan ities whi h |
|
|
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|
|
thehen e |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
spe trum or dire tly by tu |
neling spe tros opy. |
|
|
|
the |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
is |
|
|
|
|
|
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|
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9 |
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12 |
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r0 |
103 |
: : : 104: |
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
same delo |
|
|
(176) |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
pair orrelation resulting in |
|
|
|
ondensation of |
|
|
ll ele trons intoolumeand |
|
|
|
|
lized |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In this ase, there |
|
10 |
|
|
|
: : : 10 |
|
|
|
|
ele trons of |
|
|
|
|
|
|
pairs in the v |
|
|
|
betw en |
|
given p |
ir: The e |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
orbital in the super ondu ting |
|
state, |
|
however,otherpi ture of ele trons groupthed into |
individual pairs |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
In order to reatemisleadingsuper urrent, the |
ondensate w vefun tion, that is, the pair orbital must be |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
would be by |
|
|
|
|
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. |
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|
||||
in order not o deform (and thus destroy) the pair orbital itself. Hen e, 0 has the meaning of the |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
provided withfar phase fa tor |
|
|
|
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|
( ; R) e |
K R |
|
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: Obviously, it must be K (177) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
by |
|
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|
^ |
|
|
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|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
he reation operators in (168) with ^ |
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
oherenrepla inglength of the sup ond |
|
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|
|
|
y |
|
|
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|
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|
|
y |
|
|
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|
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0 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
tor at zero temperature. |
|
|
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|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
9.3 Non-zero temperature |
|
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|
|
k+K=2" k+K=2# |
|
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|
y |
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|||||||||||||||||||||||||||||
The |
|
|
|
|
|
Hamiltonian (164) shows that the bogolons reated |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
of (166) and |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
y operators |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
havingtransformedenergy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
la |
|
|
|
|
|
|
|
of (165) are fermioni ex itations with harge |
and s in above |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Coope |
pairs must be 2 Sinwhere is the re om |
|
|
|
potential of bogolons. Hen e, at temperature T |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
BCS g ound statedispersionj : |
|
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|
they may |
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|
bine into Cooper pairs , the |
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k |
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hemi al potential of |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the distribution of bogolons is |
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
nk" |
= nhemik# = al k=kT |
+ 1 |
: |
|
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(178) |
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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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|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
|
|
|
|
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|
53 |
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||||
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|
The gap equation (162) then yi lds ( f. the analysis leading to (163)) |
|
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|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
g |
|
X |
1 2 e k= T |
+ 1 1 |
|
= |
|
gN(0) |
Z |
|
! |
|
|
|
d! |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
= |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2V |
|
|
|
k Z |
! |
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
! |
p!2 |
+ 2 ep!2 |
+2=kT + |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d! |
|
|
|
|
tanh |
|
|
|
|
p! |
|
+ 2 |
! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
(179) |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
gN(0) |
|
|
|
p!2 |
+ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2kT |
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
where in the last equation0 |
|
he symmetry of the integrand with respe t to a sign hange of ! w |
used. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
For T ! 0, with the limes tanh x |
|
|
1 for x ! 1, (163) is |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
For in reasing tempera ure, the numerator of (162) de reases, and hen e must also de rease. It |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
vanishes at the transition temperature |
T , |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 = gN(0) |
|
|
d! tanh |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
reprodu! =2kTed |
|
|
|
|
|
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|
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(180) |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2kT |
|
|
= gN(0) |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
dx tanh x: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Integration of the last integral by0 parts yields |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln x |
|
|
|
|
|
|
! |
|
|
|
! |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
|
! |
=2kT |
dx tanh x = |
Z |
|
! =2kT |
|
dx |
|
|
|
|
+ ln |
|
|
|
tanh |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
Z |
|
|
0 |
|
|
|
|
! |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
x |
|
2kT |
|
2kT |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
dx |
|
ln x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
osh4 |
|
|
|
! |
|
|
|
|
|
2 ! |
; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
osh |
2 |
x |
+ ln |
|
2kT |
|
|
= ln |
|
|
|
|
+ ln |
|
|
|
|
= ln |
kT |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2kT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
where ln |
= C 0:577 is Euler's on tant. |
|
|
The se ond line is |
|
valid in the weak oupling ase |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
kT |
|
|
! |
|
and the nal result for that ase is |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
) |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(181) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 0 |
=kT |
|
kT |
|
= |
2 |
! |
|
|
exp( |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
with 2 = 1:13; |
|
|
|
|
|
= |
|
|
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The gap asand f n tion of |
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between zero and T |
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(158), the thermodynami quan |
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(184) |
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and the exponential behavior of the spe i |
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10 MICROSCOPIC THEORY: COHERENCE FACTORS |
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|
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|
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where the summation is over all possible sets of quasi-parti le quantum numbers, |
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= |
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+ukujk+qjb |
k# |
b k q# + vkvjk+qjbk"b |
k+q" |
ukvjk+qjb |
k# |
|
b |
k+q" |
vkujk+qjbk"b k q# |
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X |
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y |
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y |
^ |
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= |
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k |
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ujk+qjuk vjk+qjvk |
|
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^ |
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^ |
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k q# |
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+ |
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+ b k#b |
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y |
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y |
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^ |
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^ |
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+ |
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jk+ jvk + ukvjk+qj |
|
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^ |
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^ |
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b |
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|
b |
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|
bk"b k q# |
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In obtaining the last equality some operator pairs were anti ommuted whi h leads to the nal result |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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k+q" k# |
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X |
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y |
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^ |
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y |
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n^(q) = e k |
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ujk+qjuk vjk+qjvk |
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^ |
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^ |
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+ |
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bk+q"bk |
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+ b k# k q# |
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y |
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|
|
y |
|
|
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^ |
^ |
|
|
|
|
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|
||||||||||||
An analogous al ulation yields |
|
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+ ujk+qjvk |
+ ukvjk+qj |
|
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^ |
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^ |
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: |
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(193) |
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bk+q"b k# |
|
bk"b k q# |
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X |
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y |
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^ |
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y |
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^ |
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|||||||||
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m^ (q) = B |
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ujk+qjuk + vjk+qjvk |
|
^ |
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^ |
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+ |
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|
k |
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bk+q"bk" |
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b k#b k q# |
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y |
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|
y |
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^ |
|
^ |
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|||||||||||
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+ ujk+qjvk |
ukvjk+qj |
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^ |
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^ |
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: |
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(194) |
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b |
k+q" |
b |
k# |
+ bk"b k q# |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The |
|
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|
line of these relations re e ts the abov |
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|
mentioned oupli |
|
|
|
g between ^-states, and the se ond |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
re e tsrsthe |
oupling to the ondensate. Both lines |
ontain oheren e fa tors omposed of u and v. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
10.3 |
|
|
|
Ultrasoni |
|
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uation |
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|
. The |
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ouplingtera tion term of the Hamiltonian |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
the ele tri eld |
auseldbyattenlatti e |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
As an example of |
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(external to the ele tron |
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to the |
harge density we onsider |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
is |
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H |
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g |
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X p system) |
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(195) |
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phonon= |
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! orresponding^ + ^ ^(q); |
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^ |
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its reation operator. |
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volume, ! is the phonon frequen y and a^y |
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where g is a ou |
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I |
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V |
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q |
q |
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q |
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is the |
|||||||||||||||||
ling onstant relating the qele tri eld of the phonon to its amplitude, V |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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56 |
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|
We onsider the attenuation of ultrasound with ~! |
q |
< ; then, in lowest order pair pro es es do |
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||
not ontribute. A ording to Fermi's golden rule the phonon absorption rate may be written as |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
2 |
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^ |
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||||
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Ra(q) |
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^ |
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||||||||
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tr HI Æ(Ef |
|
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Ei)HI P = |
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2 |
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|
= |
4 g2 |
!qnq |
X |
|
|
|
|
|
|
|
vjk+qjvk |
|
k(1 fjk+qj)Æ( jk+qj k |
~!q): |
|
(196) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Here, E |
|
and E |
~V |
|
|
|
k |
|
ujk+qjuk |
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
are the total |
|
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|
|
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|
of |
|
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|
states |
forming the H -matrix el ments and n |
|
is |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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^ |
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|
|
from the rst term in the rst lenergiesthermodynamiof . Afte renaming k q ! k0; the se ond term yields the |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
f |
|
|
|
|
|
umber of the |
|
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I |
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|
q |
|
||||||||||
phononontai |
o upation |
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
state whi h in this ase in exte |
sion of (187) also |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
phononi ex itations in thermi equilib ium. Half of the result of the last line is obtained |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
same |
result |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
f |
|
|
i |
|
I |
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. The phonon emission rate is analogously |
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R (q) |
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2 |
tr |
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H Æ(E |
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E(193)H P |
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= |
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^ |
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||||
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4 g |
2 |
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^ |
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X |
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= |
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!qnq |
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ujk+qjuk |
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vjk+qjvk |
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2 |
fjk+qj |
(1 fk)Æ( jk+qj k ~!q): |
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(197) |
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~V |
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With fk(1 fjk+qj) fjk+qj(1 |
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kf ) = fk |
fjk+qj, the attenuation rate is |
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dn |
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= |
4 g2 |
!qnq |
X |
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2 |
(fk fjk+qj)Æ( jk+qj |
k ~!q): |
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(198) |
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dtq |
~V |
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|
ujk+qjuk vjk+qjvk |
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The attenuation in the normal state is |
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dn |
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k |
4 g2 |
!qnq |
X |
(fk |
fjk+qj)Æ( jk+qj k ~!q): |
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(199) |
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dtq |
= |
~V |
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From a measurement of the di eren e, (Tk) an be inferred. |
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10.4 |
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The spin |
sus eptibility |
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With the intera tion Hamiltonian |
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^ |
= H( q)m^ (q) + : :; |
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(200) |
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H |
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where H is an external magneti eld,Ithe expe tation value of the energy perturbation is obtained |
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as |
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E(q) = tr |
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^ |
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(E |
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E |
) |
1 |
^ |
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(201) |
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The sus eptibility is |
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H |
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f |
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H |
I |
P : |
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2 |
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" I |
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i |
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E(q) |
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2 |
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X |
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f |
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d |
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ujk+qjuk + vjk+qjvk |
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2 f |
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+ |
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(q) = dH( q) |
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= 2 B |
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k |
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jk+qj |
k |
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2 1 fk fjk+qj # |
: |
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(202) |
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+ ujk+qjvk ukvjk+qj |
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k |
+ |
jk+qj |
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The sus eptibility drops down below T |
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d vanishes exponenti |
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lly f |
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T ! 0. |
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Coheren e fa tors appear |
|
s milar |
manners |
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in |
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any |
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|
|
|
|
resp |
|
nse fun tions as in the nu lear |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
relaxation time, in the diamagineti response, in the mi rowavmoreabsorption, and so on. |
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57 |
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