準粒子

從量子力學上講，準粒子實際上是一種量子能（姑且這麼稱呼），它存在於一個晶體點陣或其它相互作用的粒子系統中。基於它具有可量度的空間座標參數和動量值，因此人們通常稱其為準粒子，即有點象粒子，但本質卻不是。

從凝聚態物理學上，你也可以這樣想象，準粒子類似於在相互作用粒子系統中的一個實體，當實體中的一個粒子在系統中穿行並朝着一定方向運動，環繞該粒子的其它粒子云因為其間的相互作用而脱離原有的運動軌跡，或者“被拖拽着向某個方向運動”，從宏觀上看來 ，這一系統就像一個自由運動着的整體，也就是一個“準粒子”。

在凝聚態物理中，引入這樣一個“準粒子”的概念非常重要，它是已知的能簡化多體問題（如“三體”）少有方法之一。

元激發和準粒子的概念，是Landau在他的流體量子理論中首先引入的，這是固體量子理論的重要概念，已逐漸發展為元激發物理。

固體是由大數量(數量級10²⁹/m³)有較強相互作用的微觀質粒(分子、原子或離子，電子等)組成，它們的運動是互相關聯和互相制約的集體運動。按照量子力學的描述，這樣的集體運動在固體內形成一種波動和相應的波場。在處於接近基態的低激發態時，在簡諧近似下，這種激發的波動可看作一系列頻率不同的平面波，這些平面波相應於具有一定能量和動量，並且滿足某種色散律的準粒子。從場的觀點來看，弱的激發波場可分解為一系列Fourier分量，即元激發波，波場的能量子就是元激發準粒子。這樣的處理，將有較強相互作用的多粒子系統，變成為許多獨立準粒子的集合，故可用統一的方式描述固體的性質，而且使問題的處理大為簡化。值得注意的是，元激發和準粒子是用量子力學處理多粒子系統時人為引入的概念，並不是真實的微觀粒子，它們不能脱離固體而單獨存在；而且，隨着温度升高或強的外部激發，系統將處於高的激發態，準粒子數隨之增大，因此準粒子系統的粒子數是不守恆的，元激發之間的相互作用就漸顯重要，從而對固體性質有重要影響。

元激發和準粒子一般有二種類型。一種是Bose型元激發，相應的準粒子是玻色子，如聲子、轉子、磁振子(自旋波量子)，等離激元、激子等；另一種是Fermi型元激發，相應的準粒子是費米子，如準電子、空穴、極化子等。實際上極化子是電子和聲子耦合的複式元激發，複式元激發最為重要是光子-TO聲子的極化激元和激子-TO聲子的極化激元等。隨着固體非線性行為研究的深入，非線性的元激發-孤子正在步入各個研究領域。

元激發和準粒子的概念，是固態量子理論發展的里程碑，應用的範圍涉及表面物理、非晶態物理，以及材料科學、信息科學，能源科學等許多研究領域，非線性元激發已引起物理學家的廣泛重視 ^[1]  。

在有限温度下，超導體中能量為E的準粒子可與聲子發生非彈性散射， 放出或吸收能量為ћΩ的聲子而衰變為其他能量的準粒子，也可能與其他準粒子複合成電子對並放出聲子。發生以上這些非彈性碰撞之間的平均自由時間τ(E)稱為準粒子壽命。1/τ(E)表示發生以上過程的幾率。

如果以1/T_s(E)表示發生準粒子非彈性散射過程的幾率，以1/T_r(E)表示能量為E的準粒子與其他準粒子複合成電子對的幾率，則有

，τ_s(E)稱為散射壽命，T_r(E)稱為複合壽命或複合時間。聲子數目隨温度降低而減小，因而T_s(E)隨温度降低而增加. 複合過程是一個二元反應，準粒子數隨温度降低而指數減小，因而温度降低時T_r(E)與e成正比增加。T_s(E)、T_r(E)的具體數值與能量E和温度有關，E=△(T)、T/T_c=0.8時，S_n的數值為T_r=4.6×10^-10s，T_s=2.3×10^-9s，Pb的數值為T_r=3.92×10^-11s，T_s=1.96×10^-10s。對低能準粒子，T/T_c>0.3時T_s>T_r。對高能準粒子T_r>T_s。T_s和τ_r數值的相對大小與非平衡超導態的唯象模型有關 ^[2-3]  。

在非平衡超導電性研究中經常採用一種雙隧道結如圖《雙隧道結結構》所示。 超導膜S₁、S₂形成的結作注入結，S₂、S₃形成的結作檢測結。 當注入結偏置在電壓V_i時即有準粒子注入到中間膜S₂中併產生非平衡態，由檢測結測量其性質。1963年Taylor首先用雙隧道結測量了準粒子複合率1/T_r。若已知隧道注入率I₀，並測量過剩準粒子密度△N，即可求出1/T_r。 用隧道結還可測量超導體的能隙△、態密度ρ、準粒子密度N(T)和分佈函數f。因此雙隧道結在非平衡超導電性研究中有重要的應用 ^[4]  。

1977年Dynes在三層Al雙隧道結中觀察到了雙能隙現象。 即當注入達到一定閾值時，檢測結的Ⅰ-Ⅴ曲線上出現新的電流台階，表明超導膜中存在能隙不同的兩個區域。後來在Sn、Pb等材料中也觀察到這種現象，在有些實驗中還觀察到多能隙現象。 用雙隧道結還觀察到其他形式的空間非均勻態如N-S混合態和能隙彌散態等。

1978年Gray觀察到準粒子注入使能隙增大，δ△/△可達到1%。

已提出一些利用準粒子注入條件下超導體非平衡態性質的新型超導器件。 1978年Gray提出了一個有電流放大作用的超導三極管模型，電流增益達到4。 1980年Faris提出了一種三端超導開關器件，具有類似半導體三極管的特性，開關速度達到300ps。