¿Cómo se cargan los electrones?

Su pregunta toca la cuestión de la ontología en la física de partículas. Históricamente, estamos acostumbrados a pensar en las partículas como pequeñas entidades independientes que se comportan de acuerdo con algunas leyes de movimiento. Esto se deriva de la teoría atomista de la materia, que se desarrolló hace unos dos mil años a partir del punto de partida de lo que sucedería si pudiéramos dividir la materia en partes cada vez más pequeñas. Los antiguos griegos llegaron a la conclusión de que tenía que haber un límite para esa división, de ahí nació la hipótesis del átomo.

Esta era solo una idea filosófica, por supuesto, hasta que a principios del siglo XIX aprendimos a hacer química tan bien que se hizo evidente que los fragmentos más pequeños en los que se puede dividir la materia parecían ser los átomos de la tabla periódica. Cien años más tarde nos dimos cuenta de que los átomos se pueden dividir aún más en núcleos y electrones. Lo que no cambió fue esta idea de que cada trozo tenía su propia existencia independiente.

Esta idea entró en una profunda crisis a principios del siglo XX cuando descubrimos los primeros efectos de la mecánica cuántica. Resulta que los átomos, los núcleos y los electrones no se comportan, en absoluto, como piezas realmente pequeñas de materia ordinaria. En cambio, se están comportando radicalmente diferente, tan diferente, de hecho, que la imaginación humana tiene dificultades para mantenerse al día con sus propiedades dinámicas.

Durante un tiempo estuvimos en un limbo con respecto a nuestra descripción de la naturaleza a escala microscópica. Parecía que podíamos aferrarnos a algún tipo de teoría de "pequeña bola de billar extraña con propiedades de masa, carga, espín, etc." para los electrones, pero a medida que pasaba el tiempo, esto se volvió cada vez más inútil. Eventualmente descubrimos la teoría cuántica de campos, que elimina por completo la descripción de partículas, y con eso desaparecieron todos los problemas ontológicos del siglo pasado.

Entonces, ¿cuál es la nueva forma de describir la naturaleza? Es una descripción de campo, que asume que el universo está impregnado por UN campo cuántico (puede dividirlo en múltiples componentes, si lo desea). Este campo cuántico tiene propiedades locales que se describen mediante números cuánticos como la carga. Este campo cuántico está sujeto a una ecuación mecánica cuántica de movimiento que asegura que algunas propiedades como la carga, el giro, el momento angular, etc. solo pueden cambiar en cantidades enteras (o semienteras) (en el caso de la carga, en realidad es en cantidades de 1 /3 y 2/3 pero eso es un artefacto histórico). Además, este campo obedece reglas de simetría que dejan la suma total de algunas de estas cantidades sin cambios o casi sin cambios. Los cargos en particular solo se pueden crear en este campo en pares, de modo que el cargo total permanezca en cero.

Así que ahora podemos responder a su pregunta en el lenguaje del campo cuántico: el electrón obtiene su carga por el campo que permite crear un estado de carga positiva y un estado de carga negativa al mismo tiempo, dejando su carga total cero. Este proceso requiere algo de energía, en el caso del par electrón-positrón, un poco más de 1 MeV. Todas las demás propiedades que se necesitan para caracterizar de manera única a un electrón se crean de manera similar y al mismo tiempo. El zoo de partículas elementales no es más que la lista de posibles combinaciones de números cuánticos del campo cuántico. Si no está en la lista, la naturaleza no lo hará (al menos no en forma de estado de partícula real). Nuestra lista es, por supuesto, en el mejor de los casos parcial. Hay muchas razones para creer que existen combinaciones de números cuánticos que aún no hemos observado.

Responderé a la segunda parte de tu pregunta sobre masa efectiva y cuasipartículas, ya que veo que CuriousOne ha respondido el resto mejor de lo que podría haberlo hecho.

En un metal o semiconductor, el electrón no está en el mismo estado libre que estaría en el vacío. Está unido (aunque deslocalizado dentro) a una red de iones positivos. Entonces, su relación de dispersión es diferente de la relación de dispersión que tendría si estuviera en el espacio libre.

Sin embargo, puede moverse casi libremente dentro de la red, por lo tanto, en escalas de longitud que son largas en comparación con el período de la red y siempre que no estemos demasiado cerca de los bordes de la red, su respuesta a los campos eléctricos y magnéticos es muy parecida a lo que sería para los mismos campos en el espacio libre, pero, debido a que existe una relación de dispersión diferente debido a la presencia de la red, se comporta como si tuviera una masa efectiva muy diferente (es decir, su aceleración en presencia de campos eléctricos es$q\,\vec{E}/m_{eff}$y que en presencia de campos magnéticos es$q\,\vec{v}\times \vec{B}/m_{eff}$), dónde$m_{eff}$es diferente de la masa en reposo del espacio libre del electrón. Dependiendo de la estructura de la banda, la masa efectiva puede incluso volverse negativa ( es decir, responder a los campos electromagnéticos en el sentido opuesto al normal). Esta palabra "masa efectiva" aquí caracteriza la respuesta de los electrones a los campos; no es la masa en reposo lo que caracteriza el contenido de energía de baja velocidad del electrón ( es decir , no es el$m$en$E^2-p^2 c^2 = m^2 c^4$).

No soy un especialista en semiconductores / electrones, pero la palabra "cuasipartícula" se usa de dos maneras diferentes que conozco. El primero surge cuando se cuantiza la teoría de las vibraciones acústicas, y el fonón es para esta teoría mecánica cuantizada de las vibraciones de la red lo que el fotónes al campo electromagnético cuantificado ("vibración"). El segundo uso es probablemente más relevante para el electrón en una red y se refiere a "partículas" que son superposiciones cuánticas de alguna partícula libre fundamental y un estado en el que está unido, absorbido o interactúa con algo. Esto parecería tener sentido en este contexto del electrón en la red. En materiales dieléctricos o plasmas u otros materiales, por ejemplo, uno no tiene fotones puros y luz pura, sino superposiciones cuánticas de fotones libres y estados de materia dieléctrica excitada. Por lo tanto, es más correcto llamar al cuanto de esta perturbación una "cuasipartícula", y en el caso del fotón, uno lo llama indistintamente polaritón, exitón o plasmón,

Bueno, el electrón obtiene su carga al interactuar con el campo electromagnético. Al interactuar con el campo electromagnético, el electrón puede comunicar su carga con otras partículas, como los fotones. Esto le permite al electrón saber si hay otra partícula cargada, por ejemplo, un protón. Esto hará que el electrón se atraiga con el protón.