Segunda Cuantización en Materia Condensada y Teoría Cuántica de Campos

Parece haber una dicotomía aparente entre la interpretación de los segundos operadores cuantizados en la materia condensada y la teoría cuántica de campos propiamente dicha. Por ejemplo, si nos fijamos en Peskin y Schroeder , el hamiltoniano para el hamiltoniano del campo de Dirac cuantizado viene dado por la ecuación. 3.104 en la pág. 58:

(3.104) H = d 3 pag ( 2 π ) 3 s mi pag ( a pag s a pag s + b pag s b pag s ) .

Aquí, a pag s y a pag s son los operadores de creación y aniquilación de fermiones, mientras que b pag s y b pag s son los operadores de creación y aniquilación de antifermiones. Tenga en cuenta que las partículas y las antipartículas están descritas por el mismo campo, que llamaremos ψ . También tenga en cuenta que estos operadores satisfacen las relaciones

a pag s = b pag s , a pag s = b pag s

En notación de materia condensada, podríamos tener operadores de creación y aniquilación similares para algún estado de muchos cuerpos, que llamaremos C i y C i (consideramos fermiones sin espín por simplicidad). En numerosos textos y en mis clases, he aprendido que C i podría interpretarse como el operador de creación de un agujero, que podría considerarse como el equivalente de materia condensada de una antipartícula.

¿Por qué necesitamos operadores de creación y aniquilación separados para fermiones y antifermiones en la teoría cuántica de campos, pero en materia condensada podemos simplemente tratar el operador de aniquilación como el operador de creación de la "antipartícula"? Tengo entendido que existe una diferencia fundamental entre los operadores de segunda cuantización del campo de Dirac y los operadores de segunda cuantización de materia condensada, pero no puedo encontrar ninguna referencia que discuta esto. Se agradecería cualquier explicación, así como cualquier referencia al nivel de Peskin y Schroeder.

Respuestas (1)

Es solo una convención escribir el hamiltoniano de Dirac en términos de operadores de electrones y positrones. El operador b pag s crea un "agujero", es decir, un positrón, que es lo mismo que aniquilar un electrón. Así que también podríamos definir C pag s = b pag s y escribe el hamiltoniano en términos de a y C en lugar de a y b . Entonces todo se expresa en términos de operadores de electrones.

Entonces nos vemos reducidos a preguntar por qué necesita dos conjuntos de operadores a y C . La razón es simplemente que la relación de dispersión de la ecuación de Dirac es mi = ± pag 2 + metro 2 , por lo que en cualquier momento dado hay dos bandas. Por lo tanto, necesita un operador que cree/aniquile un electrón en la banda superior y uno que cree/aniquile un electrón en la banda inferior. Esto sería igualmente cierto en un sistema de materia condensada tratado en el espacio de momento, si hay múltiples bandas.

(En cuanto a por qué se elige esta convención: en la teoría cuántica relativista, si escribe todo en términos de electrones, se ve obligado a concluir que el vacío | 0 tiene todos los estados de energía negativa ocupados, ya que C pag s | 0 = 0 . De hecho, esta era la imagen original de Dirac, pero conceptualmente es más fácil imaginar que el vacío no contiene partículas. Por otro lado, en la física de la materia condensada, estamos acostumbrados a pensar que nuestros materiales de estado sólido contienen muchos electrones, por lo que en realidad es menos confuso adoptar el punto de vista opuesto).