Новая теория электронного газа в магнитном поле и задачи для теории и эксперимента

И. М. Дубровский

Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина

Получена: 22.09.2015. Скачать: PDF

Показано, что общепринятая теория электронного газа металла в магнитном поле приводит к ряду противоречий, как в теории, так и в сопоставлении с результатами эксперимента. Предлагаемое объяснение, почему магнитный момент газа равен нулю в классической теории и в квантовой теории при замене суммирования интегрированием, хотя движение по орбите классической частицы или заполненное квантовое состояние обладают средним отрицательным магнитным моментом, неубедительно. Формула Ландау для диамагнитной восприимчивости не удовлетворяет принципиальным требованиям и не согласуется с экспериментом. Энергетический спектр 2D-электрона в магнитном поле в теории Ландау — это эквидистантные пики с одинаковой кратностью вырождения (уровни Ландау). Такой спектр противоречит математическим теоремам о собственных значениях уравнения Шрёдингера с нулевым граничным условием. В общепринятой теории самосогласованно предполагают, что электронный газ однородно заполняет весь объём металла и вместе с однородно заряженной решёткой в среднем не создаёт электрического поля. Известно, что магнитное поле препятствует однородному распределению газа в плоскости, перпендикулярной полю. Эти противоречия устранены в новой теории, обзор принципов и полученных в настоящее время результатов которой изложен в данной статье. Теория исходит из обоснования статистической механики, предложенного А. Я. Хинчиным. В рассматриваемом случае это приводит к требованию, чтобы пространство осуществимых состояний системы было определено не только собственным значением энергии, но также собственным значением углового импульса относительно оси, параллельной магнитному полю. Гамильтониан электронного газа содержит энергию взаимодействия полного углового импульса с магнитным полем. Соответствующее слагаемое коммутирует с гамильтонианом. Если газ не вращается, его собственное значение должно быть равно нулю; поэтому его можно опустить. Тогда гамильтониан газа будет идентичен гамильтониану газа взаимодействующих электронов в потенциальном поле. Эта задача рассмотрена методом функционала плотности. Гамильтониан, определяющий статистический оператор, описывает газ невзаимодействующих квазичастиц в остаточном потенциальном поле. Показано также, что уровни Ландау — следствие математической ошибки.

Ключевые слова: электронный газ, магнитное поле, угловой импульс, статистический оператор, магнитный момент, плотность газа, плотность состояний.

PACS: 05.20.Gg, 05.30.Ch, 05.30.Fk, 51.60.+a, 71.10.Ca, 71.70.Di, 75.20.-g

Citation: I. M. Dubrovskyi, The New Theory of Electron Gas in a Magnetic Field and Tasks for Theory and Experiment, Usp. Fiz. Met., 17, No. 1: 53—81 (2016) (in Russian), doi: 10.15407/ufm.17.01.053


Цитированная литература (31)  
  1. N. Bohr, Nature (London), 88: 200 (1911).
  2. J. H. van Leeuwen, J. de Phys., 2: 361 (1921).
  3. Л. Д. Ландау, Zs. Phys., 64: 629 (1930).
  4. W. J. de Haas and P. M. van Alphen, Proc. Netherlands Roy. Acad. Sci., 33: 680 (1930); ibid., 33: 1106 (1930); ibid., 35: 454 (1932).
  5. D. Shoenberg, Proc. Roy. Soc. A, 170: 341 (1939). Crossref
  6. Б. И. Веркин, Б. Г. Лазарев, Н. С. Руденко, ЖЭТФ, 20: 995 (1950).
  7. D. Shoenberg, Magnetic Oscillations in Metals (Cambridge: Cambridge University Press: 1984). Crossref
  8. R. Peierls, Zs. Phys., 80: 763 (1933); idem., Zs. Phys., 81: 186 (1933). Crossref
  9. L. Onsager, Phil. Mag., 43: 1006 (1952). Crossref
  10. И. М. Лифшиц, М. Я. Азбель, М. И. Каганов, Электронная теория металлов (Москва: Наука: 1971).
  11. J. H. van Vleck, Theory of Electric and Magnetic Susceptibilities (Oxford: Oxford University Press: 1965).
  12. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика. Т. 3. Квантовая механика (Москва: ГИЗ физ.-мат. литературы: 1963).
  13. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика. Т. 5. Статистическая физика (Москва: Наука: 1976).
  14. А. А. Абрикосов, Основы теории металлов (Москва: Наука: 1987).
  15. Р. Пайерлс, Квантовая теория твёрдых тел (Москва: ИЛ: 1956).
  16. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика. Т. 2. Теория поля (Москва: ГИЗ физ.-мат. литературы: 1960).
  17. M. H. Johnson and B. A. Lippmann, Phys. Rev., 76: 828 (1949). Crossref
  18. I. M. Dubrovskii, Cond. Matt. Phys., 9: 645 (2006). Crossref
  19. И. М. Дубровский, Теория электронных явлений в деформированных кристаллах (Киев: РИО ИМФ: 1999).
  20. А. И. Гутников, Э. П. Фельдман, ЖЭТФ, 63: 1054 (1972).
  21. I. M. Dubrovskyi, Cond. Matt. Phys., 16: 1 (2013). Crossref
  22. R. Courant and D. Hilbert, Methods of Mathematical Physics. Vol. 1 (New York: Interscience: 1953).
  23. I. Dubrovskyi, J. Phys. Sci. Appl., 4: 328 (2014).
  24. Таблицы физических величин (Ред. И. К. Кикоин) (Москва: Атомиздат: 1976).
  25. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика. Т. 7. Электродинамика сплошных сред (Москва: ГИТТЛ: 1957).
  26. А. Я. Хинчин, Математические принципы статистической механики (Москва–Ленинград: ГИТТЛ: 1943).
  27. I. M. Dubrovskii, Cond. Matt. Phys., 11: 585 (2008). Crossref
  28. I. Dubrovskyi, Thermodynamics–Interaction Studies—Solids, Liquids and Gases (Ed. Juan Carlos Moreno-Pirajan), Сh. 17: 445–468 (ISBN: 978-953-307-563-1: InTech: 2011); http://dx.doi.org/10.5772/19645. Crossref
  29. Д. Н. Зубарев, Неравновесная статистическая термодинамика (Москва: Наука: 1971).
  30. Theory of the Inhomogeneous Electron Gas (Eds. S. Lundqvist and N. H. March) (New York–London: Plenum Press: 1983). Crossref
  31. A. Erdélyi, Higher Transcendental Functions, Based, in Part, on Notes Left by Harry Bateman. Vol. 1 (New York–Toronto–London: McGraw-Hill Book Company INC: 1953).