BdG理论
哈密顿量通常可以分为两部分,正常态哈密顿量和相互作用项:
H=H0+H1
H0=σ∑∫drΨσ†(r)h0(r)Ψσ(r)
H1=21σ,σ′∑∫dr∫dr′Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)gσσ′(r−r′)Ψσ′(r′)Ψσ(r)
σ是自旋指标,Ψσ(r)是场算符,表示在位置 r处产生一个自旋为σ的电子, h0(r)是单电子哈密顿量, gσσ′(r−r′)是电子间的相互作用势。
对于自由电子系统,可写成
h0=−2mℏ2(∇−iℏceA)+V(r)−μ
在 BCS 理论中,有效相互作用可以表示为:
HBCS=k∑ϵkck†ck−2Vk,k′∑ck↑†c−k↓†c−k′↓ck′↑
平均场近似
为了处理相互作用项H1,引入平均场近似,平均场表示的是诸如⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩,⟨Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)⟩这类库珀对的期望值。
将算符 Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)和Ψσ′(r′)Ψσ(r)表示为
Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)=⟨Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)⟩+[Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)−⟨Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)⟩]Psiσ(r)Ψσ′(r′)=⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩+[Ψσ(r)Ψσ′(r′)−⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩]
H1=21σ,σ′∑∫dr∫dr′(⟨Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)⟩+[Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)−⟨Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)⟩])&×gσ,σ′(r−r′)(−⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩−[Ψσ(r)Ψσ′(r′)−⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩])&=21σ,σ′∑∫dr∫dr∫dr′(−gσ,σ′(r−r′)⟨Ψσ′†(r)Ψσ′†(r′)⟩Ψσ′(r′)Ψσ′(r′)−gσ,σ′(r−r′)⟨Ψσ′(r)Ψσ′(r′)⟩Ψσ′†(r)Ψσ′†(r′))&−gσ,σ′(r−r′)⟨Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)⟩⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩&−gσ,σ′(r−r′)[Ψσ(r)Ψσ′(r′)−⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩][Ψσ(r)Ψσ′(r′)−⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩]
忽略作为常数项的第三项和作为偏离平均场的二次项的第四项整理
H1∼21σ,σ′∑∫dr∫dr′(Ψσ(r)(−gσ,σ′(r−r′)⟨Ψσ†(r)Ψσ′†(r′)⟩)Ψσ′(r′)&+Ψσ†(r)(−gσ,σ′(r−r′)⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩)Ψσ′†(r′))
引入矢量
Ψ(r)≡(Ψ↑(r)Psi↓(r))
第二项进一步改写
21∫dr∫dr′(Ψ↑†(r)Ψ↓†(r))(−g↑,↑(r−r′)⟨Ψ↑(r)Ψ↑(r′)⟩−g↓,↑(r−r′)⟨Ψ↓(r)Ψ↑(r′)⟩−g↑↓↓(r−r′)⟨Ψ↑(r)Ψ↓(r′)⟩−g↓↓↓(r−r′)⟨Ψ↓(r)Ψ↓(r′)⟩)(Ψ↑†(r′)Psi↓†(r′))
定义
Δσσ′(r,r′)≡−gσ,σ′(r−r′)⟨Ψσ(r)Ψσ′(r′)⟩hatΔ(r,r′)≡(Δ↑↑(r,r′)Delta↓↑(r,r′)Δ↑↓(r,r′)Δ↓↓(r,r′))
得到
21∫dr∫dr′Ψ†(r)Δ^(r,r′)Ψ†T(r′)
如果哈密顿量H是厄米矩阵,那么 H1的第一项应该是第二项的厄米共轭。由于哈密顿量可以看作是以坐标r,r′和自旋指标为下标的无限维矩阵,因此为了取厄米共轭,只需交换坐标r和 r′,并对自旋矩阵进行转置和复共轭。
对H1的第二项取厄米共轭,得到
21∫dr′∫drΨT(r)Δ^†(r′,r)Ψ(r′)
Δ^†(r′,r)=(−g↑,↑(r′−r)⟨Ψ↑†(r)Ψ↑†(r′)⟩−g↑,↓(r′−r)⟨Ψ↓†(r)Ψ↑†(r′)⟩−g↓,↑(r′−r)⟨Ψ↑†(r)Ψ↓†(r′)⟩−g↓,↓(r′−r)⟨Ψ↓†(r)Ψ↓†(r′)⟩)
利用gσ,σ′(r−r′)=gσ′,σ(r′−r)可以确认,上式与H1的第一项相等。因此, H1最终可表示为
H1=21∫dr′∫drΨT(r)Δ^†(r′,r)Ψ(r′)+21∫dr∫dr′Ψ†(r)Δ^(r,r′)Ψ†T(r′)
Δ^†(r′,r))σσ′=−(Δ^(r,r′))σσ′始终成立。
考虑对角化无电子间相互作用的哈密顿量H0的二次量子化表示:
H0=∑∫drΨσ†(r)h0Ψσ(r)
通过求解薛定谔方程:
h0fν,σ(r)∫drfν,σ∗(r)fν′,σ′(r)ν∑fν,σ(r)fν,σ′∗(r)=Eνfν,σ(r)=δν,ν′δσ,σ′=δ(r−r′)δσ,σ′
得到本征值和归一化的波函数Eν和 fν,σ(r)
对算符Ψσ(r)进行幺正变换:
Ψσ(r)=ν∑cν,σfν,σ(r)
cν,σ是湮灭自旋为σ、本征值为Ei的电子的算符。
其结果是,H0可对角化为:
H0=σ∑∫drν,ν′∑cν,σ†cν′,σfν,σ∗(r)h0fν′,σ(r)=σ∑∫drν,ν′∑cν,σ†cν′,σfν,σ∗(r)Eν′fν′,σ(r)=σ∑ν∑cν,σ†cν,σEν
变形可得
σ∑ν∑cν,σ†cν′,σEν=σ∑∫drν,ν′∑cν,σ†cν′,σEνfν,σ∗(r)fν′,σ(r)=σ∑∫drν,ν′∑cν,σ†cν′,σ(Eνfν,σ(r))∗fν′,σ(r)=−σ∑∫drν,ν′∑cν′,σcν,σ†(h0fν,σ(r))∗fν′,σ(r)=−σ∑∫drΨσ(r)(h0∗Ψσ†(r))=−σ∑∫drΨσ(r)h0∗Ψσ†(r)
H0=21σ∑∫drΨσ†(r)h0Ψσ(r)+21σ∑∫drΨσ†(r)h0Ψσ(r)=21σ∑∫drΨσ†(r)h0Ψσ(r)−21σ∑∫drΨσ(r)h0∗Ψσ†(r)=21σ,σ′∑∫dr∫dr′δσ,σ′δ(r−r′)Ψσ†(r)h0(r′)Ψσ(r)−21σ,σ′∑∫dr∫dr′δσ,σ′δ(r−r′)Ψσ(r)h0∗(r′)Ψσ†(r)
H0=21∫dr∫dr′Ψ†(r)h0(r′)δ(r−r′)σ^0Ψ(r)−21∫dr∫dr′ΨT(r)h0∗(r′)σ^0δ(r−r′)Ψ†T(r)
引入Nambu 空间
为了把哈密顿量写成更简洁的形式,引入矢量
Φ=(Ψ(r)Ψ†T(r))=⎝⎜⎜⎜⎛Ψ↑(r)Ψ↓(r)Ψ↑†(r)Ψ↓†(r)⎠⎟⎟⎟⎞
得到
H=21∫dr∫dr′Φ(r)†(h0(r′)δ(r−r′)σ^0Δ^†(r′,r)Δ^(r,r′)−h0(r′)δ(r−r′)σ^0)Φ(r′)
Bogoliubov变换
需要求解的薛定谔方程
∫dr′(h0(r′)δ(r−r′)σ^0Δ^†(r′,r)Δ^(r,r′)−h0(r′)δ(r−r′)σ^0)(fν(r′)gν(r′))=Eν(fν(r)gν(r))
(hˇ0Δˇ†Δˇ−hˇ0(r′))(fνgν)=Eν(fνgν)
H=(hˇ0Δˇ†Δˇ−hˇ0),ϕν=(fνgν)
Hϕν=Eνϕν
由于矩阵H是厄米矩阵,所以本征矢量组构成完全系。此时,各个归一化的本征矢量相互正交,即
ϕν⋅ϕμ=δνμ
∫dr′(fν†(r′)gν†(r′))(fμ(r′)gμ(r′))∫dr′(fν↑∗(r′)fν↓∗(r′)gν↑∗(r′)gν↓∗(r′))⎝⎜⎜⎜⎛fμ↑(r′)fμ↓(r′)gμ↑(r′)gμ↓(r′)⎠⎟⎟⎟⎞=δνμ=δνμ
当ν=μ时,有
∫drσ∑(∣fνσ(r)∣2+∣gνσ(r)∣2)=1
定义
a(r)=ν∑⎣⎢⎢⎢⎡cν⎝⎜⎜⎜⎛fν↑(r)fν↓(r)gν↑(r)gν↓(r)⎠⎟⎟⎟⎞+dν⎝⎜⎜⎜⎛gν↓∗(r)gν↓∗(r)fν↑∗(r)fν↓∗(r)⎠⎟⎟⎟⎞
Φ(r)=⎝⎜⎜⎜⎛Ψ↑(r)Ψ↓(r)Ψ↑†(r)Ψ↓†(r)⎠⎟⎟⎟⎞=ν∑⎣⎢⎢⎢⎡αν⎝⎜⎜⎜⎛fν↑(r)fν↓(r)gν↑(r)gν↓(r)⎠⎟⎟⎟⎞+βν⎝⎜⎜⎜⎛gν↑∗(r)gν↓∗(r)fν↑∗(r)fν↓∗(r)⎠⎟⎟⎟⎞⎦⎥⎥⎥⎤
α是湮灭 f,g的算符, β是湮灭 f∗,g∗的算符。
Ψσ(r)有两种形式
Ψσ(r)Ψσ(r)=ν∑∫[ανfνσ(r)+βνgνσ∗(r)]=(Ψσ†(r))†=ν∑[ανgνσ(r)+βνfνσ∗(r)]†=∑[αν†gνσ∗(r)+βν†fνσ(r)]
若 βν=αν†
Φ(r)=ν∑[ανaν+(r)+αν†aν−(r)]
aν+(r)aν−(r)=⎝⎜⎜⎜⎛fν↑(r)fν↓(r)gν↑(r)gν↓(r)⎠⎟⎟⎟⎞=⎝⎜⎜⎜⎛gν↑∗(r)gν↓∗(r)fν↑∗(r)fν↓∗(r)⎠⎟⎟⎟⎞
Bogoliubov-de Gennes 方程
将 Φ(r)带入哈密顿量
H=21∫dr∫dr′ν∑[αν†aν+†(r)+ανaν−†(r)](h0(r′)δ(r−r′)σ^0Δ^†(r′,r)Δ^(r,r′)−h0(r′)δ(r−r′)σ^0)ν′∑[αν′aν′+(r′)+αν′†aν′−(r′)]=21∫drν,ν′∑∫dr′[αλ†aˉν+†(r)+ανaˉν−†(r)](h0(r′)δ(r−r′)σ^0Δ^†(r′,r)Δ^(r,r′)−h0(r′)δ(r−r′)σ^0)[αν′aˉν′+(r′)+αν′†aˉν′−(r′)]=21∫drν,ν′∑[αν†aˉν+†(r)+ανaˉν−†(r)][αν′Eν′aˉν′+(r)−αν′†Eν′aˉν′−(r)]
利用各个本征函数的正交性
H=21∫drν,ν′∑[αν†aˉν+†(r)+ανaˉν−†(r)][αν′Eν′aˉν′+(r)−αν′†Eν′aˉν′−(r)]=21ν∑[Eναν†αν−Eναναν†]
如果 αν满足费米子的反对易关系
H=ν∑αν†αν
其中Eν=(ϵk−μ)2+∣Δ∣2
是准粒子的能量,ϵk是电子的动能,μ是化学势。
准粒子能量的表达式揭示了超导能隙的存在,能隙大小为 2∣Δ∣。
能隙
为了确定能隙函数Δ,我们需要解自洽方程。在平均场近似下,能隙函数满足:
Δ(k)=−N1k′∑Vkk′⟨c−k′↓ck′↑⟩
通过 Bogoliubov 变换,可以证明:
⟨c−k↓ck↑⟩=−ukvk∗
假设+E(k)的本征值,其对应的本征矢量为u(1)(k)=(uk,−vk),另外一个本征态 u(2)(k)=(uk,vk)
uk=21(1+Ekϵk−μ)
vk=21(1−Ekϵk−μ)eiθ
能隙方程改写为:
Δ(k)=−N1k′∑Vkk′2E(k′)Δ(k′)tanh(2kBTE(k′))