Композитні ферміони — складні ферміонні квазічастки, введені для теоретичного пояснення дробового квантового ефекту Холла в кінці 80-х років Джайном. Він модернізував так звану функцію Лафліна
шляхом введення оператора проєкції на найнижчий рівень Ландау
щоб отримати числа заповнення виду:
- .
Цей фактор заповнення можна переписати в інверсній формі у вигляді:
- ,
який в подальшому і виступає як основа підходу Джайна. Електрони «дробового КЕХ» тут виступають як маніфестація композитних електронів «цілочисленого КЕХ». Тому цілочисленні значення фактора заповнення для композитних ферміонів, які відповідають електронному фактору заповнення . Величина є кількість квантів магнітного потоку, які «приєднані» («attached») або «прив'язані» («bound») до кожного електрона, і томі різні значення відповідають різним послідовностям станів дробового КЕХ. Наприклад, при можна отримати знамениту послідовність (яка спостерігається в експерименті) і може бути переписана шляхом використання ефективного магнітного поля , яке в концепції композитних ферміонів має вигляд:
- .
Звідси видно, що кожен електрон ніби- то підбирається та нейтралізується елементарними магнітними потоками , що приводить до результуючого зменшення магнітного поля до значення .
Слід відзначити, що ці два рівняння і є основним джерелом цього цікавого підходу Джайна. Очевидно, що вони підтверджуються чисельними експериментальними результатами і тому мають певне відношення до реальності. Проте в рамках теоретичного підходу це всього лише певні припущення (вірніше аксіоми). Більше того, із самої модернізованої функції Лафліна, що описує основний стан системи, зовсім не випливає логічно існування якихось квазічасток, які заповнюють p-й рівень Ландау. Дійсно, необхідно мати надзвичайну уяву, щоб спостерігати повне заповнення найнижчого рівня Ландау композитними ферміонами, виходячи тільки з вигляду функції Лауфліна, котра в частковому випадку підходу Джайн має: m = 1, p = 1. Таким чином, природно виникає запитання: «Що таке композитні ферміони»?
В рамках підходу Джайна: композитні ферміони — це електрони, які переносять парні числа вершин (vortices) багаточастинкової хвильової функції. Слід відзначити, що вершини є синоніми нулів модернізованої хвильової функції Лафліна перед проєкцією, котрі руйнуються — процедурою.
Найповніше визначення композитних ферміонів належить Симону (S.H. Simon): „Фізика композитних ферміонів розпочалася в 1989 році з публікацією статті Джайна, який запропонував так званий мепінг (відображення) між хвильовими функціями станів цілочисленного КЕХ та наближеними, проте «надзвичайно хорошими» хвильовими функціями дробно квантованих станів. Цей мепінг хвильових функцій може розглядатися як зв'язок між парними числами вершин (нулів) для кожного електрона, перетворюючи його в композитний ферміон. Ця трансформація Симона-Черна (Chern-Simons) електронів у композитні ферміони ще отримала назву трансформація сингулярного калібрування' (singular gauge transformation) і сьогодні широко використовується при розгляді дробного КЕХ, як «доказ» того, що взаємодіючі електрони в зовнішньому магнітному полі , можуть бути замінені на невзаємодіючі композитні ферміони в ефективному магнітному полі .
Критика концепції КФ
Слід відзначити, що сьогодні концепція композитних ферміонів піддається серйозній критиці Шріваставалою (Keshav N. Shrivastava) та Дьяконовим (M.I. Dyakonov) . Наприклад, Дьяконов пише:»Сьогодні ми знаходимося в досить незручній позиції: з одного боку багато експериментальних фактів підтверджують ідею композитних ферміонів, котра виконує ролю «єдиного» теоретичного опису явища. Безумовно вона відповідає певній реальності. Проте з іншого боку, ніхто не показав теоретично існування композитних ферміонів, як квазі- вільних часток. Більше того, ця концепція не дає відповідь на ряд простих фундаментальних запитань і не пояснює, що ж таке композитний ферміон.“
Одночасно з концепцією композитних ферміонів Джайна була висунута в кінці 80-х концепція магнітних квазізарядів Якимахи . Ці обидві концепції певним чином пов'язані між собою ефектами Аронова- Бома та квантуванням магнітних монополів, і тому піддаються критиці з боку Шріваставали, котрий не визнає навіть можливість існування якихось квазічасток з магнітним зарядом: "Якщо квант магнітного потоку приєднується (attached) до електрона, тоді не має відповідності цієї потоко- приєднаної (flux-attached) моделі з експериментальними даними по КЕХ, оскільки немає ніяких монополів в GaAs.
Досить показовою є критика концепції «композитних ферміонів» (КФ) з боку Шрівастави , в якій дещо розшифровується його тлумачення цього явища. Він вважає, «що в рамках підходу КФ припускається існування кванту магнітного потоку як незалежної частки, котра може бути приєднаною до електрона, формуючи при цьому зв»язаний стан, який при цьому містить парне число квантів магнітного потоку та один електрон, наприклад. Ці композитні ферміони шукаються в дробному КЕХ, де і можуть існувати. Магнітне поле виробляється струмами, так що одночасно повинні існувати. Теорія таких КФ не може бути сформульовано послідовно з первинних параметрів, проте присутня амбіція та претензії на відкриття нових теорій та нових принципів. Не зважаючи на декілька років копіткої праці та биття в барабани/бубни, теорія КФ до сих пір не відома. А оскільки ще немає такої теорії, тому неможливо побачити КФ в експериментальних даних. Вже багато разів наукова спільнота інформувалась про відсутність КФ, і тому експериментори повинні відмовитися від подібних заяв про «нові відкриття», проте нові початківці перманентно приходять в науку, вони читають старі статті, і заявляють, що спостерігають КФ. Тому на зустрічі Американського Фізичного Товариства (APS) і було звернено увагу на те, що КФ не існують. Тому претензії Гійома Жерве (Guillaume Gervais) про спостереження КФ є фальшиві.“
Дивись також
Примітки
- J.K. Jain, Phys. Rev. Lett. 63, 199 (1989); Phys. Rev. B 40, 8079 (1989); Phys. Rev. B 41, 7653 (1990)
- S.H. Simon, The Chern-Simons Fermi Liquid Description of Fractional Quantum Hall states, ibid; LANL e-print cond-mat/9812186, (1998)
- Keshav N. Shrivastava. Comments on «Composite Fermion (CF) model of quantum Hall e_ect — Two-dimensional electron system in high magnetic fields, S. S. Mandal, M. R. Peterson and J. K. Jain, Phys. Rev. Lett. 90, 106403 (2003) PDF
- M.I. Dyakonov, Twenty years since the discovery of the Fractional Quantum Hall Effect: Current state of the theory. Condensed Matter, 9 Sep 2002 PDF
- Yakymakha O.L., High Temperature Quantum Galvanomagnetic Effects in the Two- Dimensional Inversion Layers of MOSFET's, p.91. Vyscha Shkola, Kyiv (1989)
- Keshav N. Shrivastava Comments on „Competition Between Fractional Quantum Hall Liquid …, by G. Gervais, L. W. Engel, H.L. Stormer, D. C. Tsui, et al cond-mat/0402169(5 Feb. 2004) PDF
Література
- Composite Fermions, Edited by O. Heinonen, World Scientific, Singapore (1998).
Посилання
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Kompozitni fermioni skladni fermionni kvazichastki vvedeni dlya teoretichnogo poyasnennya drobovogo kvantovogo efektu Holla v kinci 80 h rokiv Dzhajnom Vin modernizuvav tak zvanu funkciyu Laflina ps 1 2 m 1 z 1 z N i lt j z i z j 2 m ps 1 displaystyle psi frac 1 2m 1 z 1 z N prod i lt j z i z j 2m psi 1 shlyahom vvedennya operatora proyekciyi P L L L displaystyle P LLL na najnizhchij riven Landau ps p 2 m p 1 z 1 z N P L L L i lt j z i z j 2 m ps p displaystyle psi frac p 2mp 1 z 1 z N P LLL prod i lt j z i z j 2m psi p shob otrimati chisla zapovnennya vidu n p 2 m p 1 displaystyle nu frac p 2mp 1 Cej faktor zapovnennya mozhna perepisati v inversnij formi u viglyadi 1 n 2 m 1 p displaystyle frac 1 nu 2m frac 1 p yakij v podalshomu i vistupaye yak osnova pidhodu Dzhajna Elektroni drobovogo KEH tut vistupayut yak manifestaciya kompozitnih elektroniv cilochislenogo KEH Tomu cilochislenni znachennya p n displaystyle p nu faktora zapovnennya dlya kompozitnih fermioniv yaki vidpovidayut elektronnomu faktoru zapovnennya n displaystyle nu Velichina 2 m m 1 2 3 displaystyle 2m m 1 2 3 ye kilkist kvantiv magnitnogo potoku yaki priyednani attached abo priv yazani bound do kozhnogo elektrona i tomi rizni znachennya m displaystyle m vidpovidayut riznim poslidovnostyam staniv drobovogo KEH Napriklad pri m 1 displaystyle m 1 mozhna otrimati znamenitu poslidovnist n 1 3 2 5 3 7 displaystyle nu 1 3 2 5 3 7 yaka sposterigayetsya v eksperimenti i mozhe buti perepisana shlyahom vikoristannya efektivnogo magnitnogo polya B displaystyle B yake v koncepciyi kompozitnih fermioniv maye viglyad B B 1 2 m n B 2 m n F 0 displaystyle B B 1 2m nu B 2mn Phi 0 Zvidsi vidno sho kozhen elektron nibi to pidbirayetsya ta nejtralizuyetsya 2 m displaystyle 2m elementarnimi magnitnimi potokami F 0 displaystyle Phi 0 sho privodit do rezultuyuchogo zmenshennya magnitnogo polya B displaystyle B do znachennya B displaystyle B Slid vidznachiti sho ci dva rivnyannya i ye osnovnim dzherelom cogo cikavogo pidhodu Dzhajna Ochevidno sho voni pidtverdzhuyutsya chiselnimi eksperimentalnimi rezultatami i tomu mayut pevne vidnoshennya do realnosti Prote v ramkah teoretichnogo pidhodu ce vsogo lishe pevni pripushennya virnishe aksiomi Bilshe togo iz samoyi modernizovanoyi funkciyi Laflina sho opisuye osnovnij stan sistemi zovsim ne viplivaye logichno isnuvannya yakihos kvazichastok yaki zapovnyuyut p j riven Landau Dijsno neobhidno mati nadzvichajnu uyavu shob sposterigati povne zapovnennya najnizhchogo rivnya Landau kompozitnimi fermionami vihodyachi tilki z viglyadu funkciyi Lauflina kotra v chastkovomu vipadku pidhodu Dzhajn maye m 1 p 1 Takim chinom prirodno vinikaye zapitannya Sho take kompozitni fermioni V ramkah pidhodu Dzhajna kompozitni fermioni ce elektroni yaki perenosyat parni chisla vershin vortices bagatochastinkovoyi hvilovoyi funkciyi Slid vidznachiti sho vershini ye sinonimi nuliv modernizovanoyi hvilovoyi funkciyi Laflina pered proyekciyeyu kotri rujnuyutsya P L L L displaystyle P LLL proceduroyu Najpovnishe viznachennya kompozitnih fermioniv nalezhit Simonu S H Simon Fizika kompozitnih fermioniv rozpochalasya v 1989 roci z publikaciyeyu statti Dzhajna yakij zaproponuvav tak zvanij meping vidobrazhennya mizh hvilovimi funkciyami staniv cilochislennogo KEH ta nablizhenimi prote nadzvichajno horoshimi hvilovimi funkciyami drobno kvantovanih staniv Cej meping hvilovih funkcij mozhe rozglyadatisya yak zv yazok mizh parnimi chislami vershin nuliv dlya kozhnogo elektrona peretvoryuyuchi jogo v kompozitnij fermion Cya transformaciya Simona Cherna Chern Simons elektroniv u kompozitni fermioni she otrimala nazvu transformaciya singulyarnogo kalibruvannya singular gauge transformation i sogodni shiroko vikoristovuyetsya pri rozglyadi drobnogo KEH yak dokaz togo sho vzayemodiyuchi elektroni v zovnishnomu magnitnomu poli B displaystyle B mozhut buti zamineni na nevzayemodiyuchi kompozitni fermioni v efektivnomu magnitnomu poli B displaystyle B Kritika koncepciyi KFSlid vidznachiti sho sogodni koncepciya kompozitnih fermioniv piddayetsya serjoznij kritici Shrivastavaloyu Keshav N Shrivastava ta Dyakonovim M I Dyakonov Napriklad Dyakonov pishe Sogodni mi znahodimosya v dosit nezruchnij poziciyi z odnogo boku bagato eksperimentalnih faktiv pidtverdzhuyut ideyu kompozitnih fermioniv kotra vikonuye rolyu yedinogo teoretichnogo opisu yavisha Bezumovno vona vidpovidaye pevnij realnosti Prote z inshogo boku nihto ne pokazav teoretichno isnuvannya kompozitnih fermioniv yak kvazi vilnih chastok Bilshe togo cya koncepciya ne daye vidpovid na ryad prostih fundamentalnih zapitan i ne poyasnyuye sho zh take kompozitnij fermion Odnochasno z koncepciyeyu kompozitnih fermioniv Dzhajna bula visunuta v kinci 80 h koncepciya magnitnih kvazizaryadiv Yakimahi Ci obidvi koncepciyi pevnim chinom pov yazani mizh soboyu efektami Aronova Boma ta kvantuvannyam magnitnih monopoliv i tomu piddayutsya kritici z boku Shrivastavali kotrij ne viznaye navit mozhlivist isnuvannya yakihos kvazichastok z magnitnim zaryadom Yaksho kvant magnitnogo potoku priyednuyetsya attached do elektrona todi ne maye vidpovidnosti ciyeyi potoko priyednanoyi flux attached modeli z eksperimentalnimi danimi po KEH oskilki nemaye niyakih monopoliv v GaAs Dosit pokazovoyu ye kritika koncepciyi kompozitnih fermioniv KF z boku Shrivastavi v yakij desho rozshifrovuyetsya jogo tlumachennya cogo yavisha Vin vvazhaye sho v ramkah pidhodu KF pripuskayetsya isnuvannya kvantu magnitnogo potoku ϕ 0 h e displaystyle phi 0 h e yak nezalezhnoyi chastki kotra mozhe buti priyednanoyu do elektrona formuyuchi pri comu zv yazanij stan yakij pri comu mistit parne chislo kvantiv magnitnogo potoku ta odin elektron napriklad Ci kompozitni fermioni shukayutsya v drobnomu KEH de i mozhut isnuvati Magnitne pole viroblyayetsya strumami tak sho odnochasno povinni isnuvati Teoriya takih KF ne mozhe buti sformulovano poslidovno z pervinnih parametriv prote prisutnya ambiciya ta pretenziyi na vidkrittya novih teorij ta novih principiv Ne zvazhayuchi na dekilka rokiv kopitkoyi praci ta bittya v barabani bubni teoriya KF do sih pir ne vidoma A oskilki she nemaye takoyi teoriyi tomu nemozhlivo pobachiti KF v eksperimentalnih danih Vzhe bagato raziv naukova spilnota informuvalas pro vidsutnist KF i tomu eksperimentori povinni vidmovitisya vid podibnih zayav pro novi vidkrittya prote novi pochatkivci permanentno prihodyat v nauku voni chitayut stari statti i zayavlyayut sho sposterigayut KF Tomu na zustrichi Amerikanskogo Fizichnogo Tovaristva APS i bulo zverneno uvagu na te sho KF ne isnuyut Tomu pretenziyi Gijoma Zherve Guillaume Gervais pro sposterezhennya KF ye falshivi Divis takozhKvantovij efekt Hola Kvant magnitnogo potokuPrimitkiJ K Jain Phys Rev Lett 63 199 1989 Phys Rev B 40 8079 1989 Phys Rev B 41 7653 1990 S H Simon The Chern Simons Fermi Liquid Description of Fractional Quantum Hall states ibid LANL e print cond mat 9812186 1998 Keshav N Shrivastava Comments on Composite Fermion CF model of quantum Hall e ect Two dimensional electron system in high magnetic fields S S Mandal M R Peterson and J K Jain Phys Rev Lett 90 106403 2003 PDF M I Dyakonov Twenty years since the discovery of the Fractional Quantum Hall Effect Current state of the theory Condensed Matter 9 Sep 2002 PDF Yakymakha O L High Temperature Quantum Galvanomagnetic Effects in the Two Dimensional Inversion Layers of MOSFET s p 91 Vyscha Shkola Kyiv 1989 Keshav N Shrivastava Comments on Competition Between Fractional Quantum Hall Liquid by G Gervais L W Engel H L Stormer D C Tsui et al cond mat 0402169 5 Feb 2004 PDFLiteraturaComposite Fermions Edited by O Heinonen World Scientific Singapore 1998 Posilannya