Введение в теорию электропроводности и сверхпроводимости, Квасников И.А., 2010

Введение в теорию электропроводности и сверхпроводимости, Квасников И.А., 2010.
   Предлагаемая вниманию читателей книга посвящена одному из достаточно полно разработанных разделов электронной теории - теории электропроводности и сверхпроводимости.
В книге в доступной форме изложены основы теории электронного газа в металлах, его кинетической теории в рамках стационарного приближения (явления переноса) и проблемы сверхпроводимости в ее современном теоретическом обосновании, а также обсужден вопрос о возможности сверхтекучего состояния вырожденных фермисистем типа ядерной материи.
Для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся в области теоретической физики, а также научных сотрудников, интересующихся вопросами электронной теории и общими проблемами квантовой статистики.

Общие замечания и вопросы моделирования системы.
Несколько слов об истории вопроса. Понятие «электронный газ» было введено Друде (P. Drude, 1900), что способствовало объяснению некоторых характерных особенностей металлических проводников. Заметим, что сам электрон как частица, несущая заряд, был открыт за три года до этого Томсоном (W. Thomson, он же лорд Кельвин). Лоренц (Н. Lorentz) в 1904-1905 годах поднял теорию электронного газа в металлах еще в доквантовом варианте до уровня кинетической теории. Для вырожденного электронного газа соответствующие расчеты были выполнены несколько позже Зоммерфельдом (A. Sommerfeld, 1928) — через три года после формулировки по отношению к электронам принципа запрета (W. Pauli, 1925).
Большую роль в развитии квантовой электронной теории в металлах сыграли фундаментальные работы Феликса Блоха (F. Bloch, 1928-1930), который показал, что движение частицы в периодическом поле кристаллической решетки описывается не плоскими волнами, а так называемыми блоховскими функциями (не располагая точными аналитическими выражениями, эти функции в конкретных расчетах все равно приходится аппроксимировать соответствующим образом подправленными плоскими волнами), состояния частиц, описываемые этими функциями, периодическим полем решетки не рассеиваются, поэтому механизм возникновения сопротивления и связанных с ним других явлений переноса обусловлен в низкотемпературной области не непосредственным рассеянием электронов на ионах кристаллической решетки, а с рассеянием их на нарушениях ее строгой периодической структуры (неизбежные посторонние примеси, дефекты решетки — дислокации и, наконец, тепловые колебания самой решетки).
Оглавление
Предисловие
Часть I. Явления переноса в вырожденном электронном газе
Глава 1. Кинетическое уравнение Паули и кинетическое уравнение Больцмана
§1. Квантовомеханическая теория возмущений для чистого и смешанного квантовомеханического состояния
§2. Статистические системы. Огрубление шкалы времени и закон сохранения энергии
§3. Переход к кинетической шкале времени и построение кинетического уравнения Паули
§4. Изолированные системы. Микроканоническое распределение Гиббса. Проблема обращения времени
§5. Переход к уравнению Больцмана
Глава 2. Общие замечания и вопросы моделирования системы
§1. Исключение учета положительно заряженного фона кристаллической решетки
§2. Самосогласованное поле и плазменные колебания
§3. Томас-фермиевская экранировка кулоновского потенциала
§4. Критерий идеальности реального электронного газа в металлах
Глава 3. Кинетическая теория продольных термоэлектрических явлений в электронном газе
§1. Лоренцева форма интеграла столкновений
§2. Стационарное решение кинетического уравнения Лоренца
§3. Электро- и теплопроводность вырожденного электронного газа в металлах
§4. Термоэлектрические явления в металлических проводниках
Глава 4. Учет электрон-фононного взаимодействия в теории электропроводности металлов
§1. Моделирование гамильтониана взаимодействия электронов с колебаниями решетки
§2. Расчет транспортного сечения рассеяния и определение температурной зависимости удельного сопротивления в области низких и высоких температур по отношению к температуре Дебая
§3. Расчет поправок к основному результату
§4. Обсуждение и критические замечания
§5. Теплопроводность электронного газа в электрон-фононной модели взаимодействия
Часть II. Введение в теорию сверхпроводимости электронного газа
Глава 5. Экспериментальные и теоретические предпосылки теории сверхпроводимости
§1. Немного истории
§2. Вопросы моделирования системы электронного газа в металлах
§3. Учет экспериментальных данных: малая величина температуры фазового перехода по сравнению со средней энергией взаимодействия электронов друг с другом и газом фононов
§4. Учет экспериментальных данных: гипотеза о наличии в спектре возбужденных состояний энергетической щели и низкотемпературное поведение теплоемкости сверхпроводника
§5. Корреляционный радиус бозеподобных комплексов электронов в случае наличия в их спектре возбужденных состояний энергетической щели
§6. Условия существования квазисвязного состояния электронов по Куперу
§7. Структура динамического взаимодействия электронов в металле
Глава 6. Электронный газ с прямым передаваемым фононами взаимодействием
§1. Выделение части гамильтониана, ответственной за формирование куперовских состояний
§2. (u - v)-преобразование Боголюбова ферми-операторов рассматриваемой модели
§3. Определение коэффициентов (u - v)-преобразования и оценка свободной энергии системы в соответствии с вариационной теоремой Боголюбова
Глава 7. Исследование уравнения для энергетической щели в случае упрощенной модели взаимодействия электронов
§1. Уравнение для энергетической щели и термодинамический потенциал системы с модельным взаимодействием частиц, допускающим дальнейшее исследование проблемы сверхпроводимости
§2. Расчет температуры фазового перехода theta0 и температурное поведение энергетической щели в диапазоне 0 =< theta =< theta0
Глава 8. Термодинамические свойства модельного сверхпроводника
Глава 9. Величина критического магнитного поля и фазовый переход 2-го рода
§1. Термодинамическая теория
§2. Связь эффекта с величиной энергетической щели
Глава 10. Качественный учет кулоновского взаимодействия
Глава 11. Вариационное приближение и асимптотическая точность полученных результатов
Глава 12. Принцип компенсации "опасных диаграмм"
Глава 13. Общая структура возбужденных состояний сверхпроводящего и нормального электронного газа в металлах
Глава 14. Критерий возможного существования явления сверхтекучести в вырожденной ферми-системе с куперовской корреляцией составляющих ее частиц и условие устойчивости нормального ее состояния
§1. Моделирование исходного гамильтониана
§2. Разделение (u - v)-преобразованного гамильтониана на части
§3. Постановка вариационной задачи
§4. Выделение тривиального решения
§5. Критерий возникновения устойчивого сверхтекучего состояния системы
Приложения
Приложение I. Расчет фермиевских интегралов
Приложение II. Представление вторичного квантования в задачах статистической механики
§1. N-частичный базис
§2. Представление базиса в терминах чисел заполнения
§3. Операторы динамических величин в представлении чисел заполнения
§4. Введение операторов рождения и уничтожения
§5. Рабочие формулы для операторов динамических величин в представлении вторичного квантования
Приложение III. Теорема о спариваниях
Приложение IV. Вариационная теорема Боголюбова
Приложение V. Ферромагнетик Гейзенберга в вариационном приближении и пример модели, когда это приближение является асимптотически точным решением статистической проблемы
§1. Теория молекулярного поля Вейсса как вариационное приближение
§2. Пример совпадения вариационной оценки с асимптотически точным решением
Приложение VI. Основная формула метода перевала
§1. Выделение epsilon-окрестности в области точки перевала
§2. Изменение первоначального контура интегрирования
§3. Асимптотическая оценка интегралов.