määrähiukkasten

Määrähiukkaset ovat emergentteja, kollektiivisia tiloja, joita syntyy vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten yhteisvaikutuksesta. Ne käyttäytyvät usein kuin itsenäiset hiukkaset, joilla on omat energian-käyrän (ε(k)) ja elinikä. Määrähiukkaset ovat hyödyllinen käsite, jolla monimutkaisia järjestelmiä voidaan kuvata yksinkertaistetusti, ilman että tarvitsee ratkaista kaikkien yksittäisten hiukkasten vuorovaikutuksia kerrallaan.

Esimerkkejä määrähiukkasista ovat fononit, magnonit, eksitonit, plasmonit ja polaritonit. Fononit ovat kristallin lattice-värähtelyjen kollektiivisia tiloja. Magnonit ovat spinivaihdoista johtuvia kollektiivisia tiloja magneettisissa aineissa. Eksitonit ovat sidottuja elektroniholeparien tiloja. Plasmonit ovat elektronijärjestelmän kollektiivisia varauksen tiheyden oscillointeja. Polaritonit syntyvät valon ja materiaalin vahvasta vuorovaikutuksesta ja ovat hybridi-ilmiöitä valon sekä elektronisten tilojen välillä.

Ominaisuuksiin kuuluvat energian riippuvuus k-hetkestä, eli dispersio, jonka perusteella määrähiukkaselle voidaan määritellä tehokas massa, sekä elinikä, joka kuvaa hajoamisen tai vuorovaikutuksesta johtuvan muuntumisen kestoa. Määrähiukkaset ovat usein tilapäisiä, ja niiden olemassaolon sekä ominaisuuksien arvoihin vaikuttavat lämpötila ja muu vuorovaikutusjärjestelmä. Teoreettisesti ne kuvaillaan toisen quantisoinnin kenttäteorioilla, ja käytännössä niiden tunnusomaiset ominaisuudet voivat havaita kokeellisesti esimerkiksi ARPES-, inelastinen neutron-säteily- tai Raman-spektroskioilla. Määrähiukkaset tarjoavat työkalun monimutkaisten materiaaleiden, suprajohtuvuuden ja kiinteän aineen ilmiöiden ymmärtämiseen.