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2025-04-16T22:41:03Z

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Unter einem '''Quasiteilchen''' versteht man eine Anregung eines [[Vielteilchensystem]]s, die eine Energie-Impuls-Beziehung ([[Dispersionsrelation]]) wie ein [[Teilchen]] aufweist. Bei einem Quasiteilchen handelt es sich meist um einen [[kollektiver Zustand|kollektiven Zustand]] vieler Teilchen, eine [[elementare Anregung]] oder manchmal auch um den [[gebundener Zustand|gebundenen Zustand]] eines Teilchenpaars. Charakteristisch für Quasiteilchen ist jedoch, dass sie außerhalb ihres Vielteilchensystems nicht auftreten können.

Ein bekanntes Beispiel sind die [[Defektelektron]]en („Löcher“) in einem [[Halbleiter]], in dem sich die negativ geladenen [[Valenzelektron]]en kollektiv so in eine Richtung bewegen, als würde sich ein positiv geladenes Teilchen in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Andere Beispiele sind [[Phonon]]en, [[Magnon]]en, [[Cooper-Paar]]e und [[Exziton]]en.

Der Begriff Quasiteilchen geht auf [[Lew Dawidowitsch Landau]] zurück. Er entwickelte eine Theorie über die Wechselwirkung zwischen [[Leitungselektronen]] in einem Metall (die Theorie der [[Quantenflüssigkeit|Fermi-Flüssigkeit]]). Die Grundidee besteht darin, die Wechselwirkung eines Leitungselektrons mit seiner Umgebung dadurch zu beschreiben, dass man das Elektron um diese Wechselwirkung „erweitert“. Dieses erweiterte Teilchen nannte er Quasielektron, da es in der Theorie (in erster Näherung) wie ein [[freies Elektron]] behandelt werden kann.

== Eigenschaften ==
Den Quasiteilchen können Eigenschaften normaler Teilchen wie Masse, Impuls, Energie, Wellenlänge und Spin zugeschrieben werden, wie beispielsweise die [[effektive Masse]] für ein Leitungselektron mit Wechselwirkung mit den anderen Elektronen (Quasielektron) statt der tatsächlichen Masse eines Elektrons. Um auszudrücken, dass es sich dabei um Eigenschaften eines Quasiteilchens handelt, spricht man auch von Quasi-Masse etc.

Quasiteilchen verhalten sich wie normale Teilchen und können somit aneinander streuen und Impuls und Energie austauschen. Sie können auch erzeugt und vernichtet werden, für Quasiteilchen gilt also keine Erhaltung der Teilchenzahl. Anders formuliert: Das [[chemisches Potential|chemische Potential]] für Quasiteilchen verschwindet: <math>\mu = 0</math>. Auch für [[Photon]]en gilt keine Teilchenzahlerhaltung, jedoch ist der entscheidende Unterschied zu Quasiteilchen der, dass letztere außerhalb eines Viel-Teilchen-Systems nicht existieren können. Photonen können jedoch in [[Photon#Photonen in optischen Medien|Wechselwirkung mit Materie]] Quasiteilchen, wie z. B. [[Polariton]]e, erzeugen.

Systeme aus Quasiteilchen ([[Phononengas]] etc.) lassen sich nicht [[klassische Mechanik|klassisch]] beschreiben. Der klassische Grenzfall <math>z=e^{\beta\mu}\ll 1</math> ist in solchen Systemen unmöglich, da wegen <math>\mu=0</math> für die [[Fugazität]] immer <math>z=1</math> gilt.

Quasiteilchen, die einen ganzzahligen bzw. halbzahligen Spin besitzen, verhalten sich entsprechend wie [[Boson]]en bzw. [[Fermion]]en und gehorchen dementsprechend der [[Bose-Einstein-Statistik|Bose-Einstein-]] bzw. der [[Fermi-Dirac-Statistik]].

Manchmal besitzen die Quasiteilchen ein [[diskretes Spektrum|diskretes Energiespektrum]], und der Festkörper kann bestimmte Energiebeträge deutlich besser absorbieren oder emittieren als andere.

== Beispiel ==
Sieht man einen Kristall als ein System aus Atomen an, die durch elastische Kräfte aneinander gebunden sind, so kann die Wechselwirkung der Atomrümpfe untereinander durch ein elastisches Feld beschrieben werden. Die Quasiteilchen dieses Feldes nennt man [[Phonon]]en. Sie sind [[ebene Welle|ebene elastische Wellen]] im Festkörper. Die Phononen entsprechen den [[Eigenzustand|Eigenzuständen]] eines [[Harmonischer Oszillator|harmonischen Oszillators]] im Ein-Teilchen-Fall.

Strahlt man eine [[elektromagnetische Welle]] in einen Kristall ein, so findet hauptsächlich elastische Streuung statt, der Betrag des Wellenvektors ändert sich dabei nicht. Die Welle kann aber auch unter gleichzeitiger Erzeugung oder Vernichtung eines Phonons gestreut werden. Dabei ändert sich der Betrag des Wellenvektors des Lichts. Diesen Vorgang bezeichnet man als [[Raman-Streuung]]. Aus der Änderung des Wellenvektors kann man den [[Wellenvektor]] des Phonons bestimmen und daraus die Bindungsenergien zwischen den Atomen des Kristalls berechnen.

== Liste von Quasiteilchen ==
;[[Boson]]en:
* [[Exziton]]en: neutrale Teilchen, zusammengesetzt aus beispielsweise einem [[Elektron]] und einem [[Defektelektron]], die mit dem dielektrischen Polarisationsfeld verknüpft sind.

* [[Magnon]]en: [[Elektronenspin]]s, die durch die [[Austauschwechselwirkung]] miteinander gekoppelt sind.
* [[Phonon]]en: elastische Wellen in [[Kristall]]en.
* [[Plasmon (Physik)| Plasmonen]]: kollektive Schwankungen der [[Ladungsträgerdichte]] in [[Metalle]]n und [[Halbleiter]]n.
* [[Polariton]]en: Wechselwirkung zwischen einem [[Photon]] und einem Quasiteilchen. Beispiele sind Magnon-Polaritonen.<ref>[https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=55535.php Being exceptional in higher dimensions], auf: nanowerk.com vom 1. Juli 2020</ref>

;[[Fermion]]en:
* Quasielektron: Ein Leitungselektron in einem Metall, mit der üblichen negativen Ladung.
* [[Defektelektron]] oder „Loch“: Ein „fehlendes“ Elektron in der [[Halbleiterphysik]], positiv geladen.
* [[Polaron]]en: geladene Teilchen, die mit dem dielektrischen Polarisationsfeld verknüpft sind.

;Weitere:
* [[Amplitudon]]: Elementaranregung der Amplitude einer [[Inkommensurabilität (Physik)#Periodenverhältnisse|inkommensuraten Überstruktur]] eines Festkörpers oder einer Festkörperoberfläche.
* [[Anyon]]en (zweidimensionale Quasiteilchen, an Oberflächen bzw. Grenzschichten gebunden)
* [[Cooper-Paar]]e: 2 gekoppelte Elektronen in der [[BCS-Theorie]] der Supraleitung.
* [[Dropleton]]<ref>[https://www.nature.com/articles/nature12994 nature.com]</ref>
* [[Holon (Physik)|Holon]]
* [[Orbiton]]
* [[Phason]]: Elementaranregung der Phase einer [[Inkommensurabilität (Physik)#Periodenverhältnisse|inkommensuraten Überstruktur]] eines Festkörpers oder einer Festkörperoberfläche.

* [[Roton (Physik)|Rotonen]]: Anregungen in suprafluidem <sup>4</sup>He.
* [[Spinon]]
* Trionen
* [[Skyrmion]]en
* quasi-freie [[Magnetischer Monopol|magnetische Monopole]] als Quasiteilchen

== Literatur ==
* Alexandre M. Zagoskin: ''Quantum theory of many body systems - techniques and applications''. Springer, New York 1998, ISBN 0-387-98384-8.
* Ch. Kittel: ''Einführung in die Festkörperphysik.'' 10. Auflage Oldenbourg Verlag, München 1993, ISBN 3-486-22716-5
* Ch. Kittel: ''Quantentheorie der Festkörper.'' 2. Auflage. Oldenbourg 1988, ISBN 3-486-20748-2.
* Ashcroft: ''Festkörperphysik.'' 2. Auflage. Oldenbourg 2005, ISBN 3-486-57720-4.
* Kopitzki: ''Einführung in die Festkörperphysik.'' 6. Auflage. Teubner, 2007, ISBN 978-3-8351-0144-9.

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Quasiteilchen}}
* Lexikon der Physik: [https://www.spektrum.de/lexikon/physik/quasiteilchen/11939 Quasiteilchen], auf spektrum.de
* Yi-Xin Chen: [https://inspirehep.net/literature/598994 Quasiparticle excitations and hierarchies of four-dimensional quantum Hall fluid states in the matrix models], Zhejiang U., Inst. Mod. Phys., auf iNSPIRE HEP vom 8. Oktober 2002

== Einzelnachweise ==
<references />{{Normdaten|TYP=s|GND=4140168-2|LCCN=sh85109751}}
[[Kategorie:Quasiteilchen| ]]

Quasiteilchen - Versionsgeschichte

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