Нова теорія електронного газу в магнетному полі та задачі для теорії й експерименту

І. М. Дубровський

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримана: 22.09.2015. Завантажити: PDF

Показано, що загальноприйнята теорія електронного газу металу в магнетному полі призводить до деяких протиріч, як у теорії, так і у співставленні з результатами експерименту. Пропоноване пояснення, чому магнетний момент газу дорівнює нулю в класичній теорії і в квантовій теорії при заміні сумування інтеґруванням, при тому що рух по орбіті класичної частинки або заповнений квантовий стан мають середній від’ємний магнетний момент, непереконливе. Формула Ландау для діямагнетної сприйнятливости не задовольняє принциповим вимогам і не узгоджується з експериментом. Енергетичний спектр 2D-електрона в магнетному полі у теорії Ландау — це еквідистантні піки з однаковою кратністю виродження (рівні Ландау). Такий спектер суперечить математичним теоремам про власні значення Шрединґерового рівняння з нульовою крайовою умовою. У загальноприйнятій теорії самоузгоджено припускають, що електронний газ однорідно заповнює увесь об’єм металу і разом з однорідно зарядженою ґратницею в середньому не створює електричне поле. Відомо, що магнетне поле протидіє однорідному розподілу газу у площині, яка перпендикулярна полю. Нова теорія, огляд принципів і одержаних наразі результатів, яких викладено у даній статті, позбавлені цих протиріч. Теорія виходить із обґрунтування статистичної механіки, запропонованого О. Я. Хінчиним. У розглядуваному випадку це приводить до вимоги, щоб простір можливих станів системи було визначено не тільки за власним значенням енергії, а й за власним значенням кутового імпульсу відносно осі, паралельної магнетному полю. Одним із доданків у Гамільтоніяні електронного газу є енергія взаємодії повного кутового імпульсу з магнетним полем. Цей доданок комутує з Гамільтоніяном. Якщо газ не обертається, його власне значення має дорівнювати нулю; тому його можна не брати до уваги. Тоді Гамільтоніян газу буде ідентичним Гамільтоніяну газу взаємодійних електронів у потенціяльному полі. Цю задачу розглянуто методою функціоналу густини. Гамільтоніян, що визначає статистичний оператор, описує газ невзаємодійних квазичастинок у залишковому потенціяльному полі. Також показано, що рівні Ландау є наслідком математичної помилки.

Ключові слова: електронний газ, магнетне поле, кутовий імпульс, статистичний оператор, магнетний момент, густина газу, густина станів.

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


Цитована література (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).