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怎么理解各种介电常数?

怎么理解各种介电常数?

的有关信息介绍如下:

怎么理解各种介电常数?

从凝聚态物理的视角来看,介电函数是(弱)相互作用电子体系对外加电荷的响应函数,或者说介电函数直接与电荷-电荷关联相联系。

我们考虑一个含有弱库仑相互作用的电子系统,从线性响应理论出发,系统的哈密顿量写为

其中 是单电子部分(动能 + 晶格周期势), 是电子间库仑相互作用,即

外场微扰通过电势 耦合到电荷密度,对应的微扰哈密顿量为

若将微扰写作与数密度的耦合,则为

是外势对单个电子的势能。

根据Kubo公式,在外势 作用下,诱导出数密度的变化的系综平均为

其中推迟密度-密度响应函数 定义为

这里 是无外场时相互作用系统的基态或热力学平均。做傅里叶变换得到

库仑相互作用的存在使电子不仅感受到外势 ,还感受到诱导电荷产生的平均场。总有效势能为

在弱相互作用极限下根据线性响应的精神,可以直接写出

做傅里叶变换

由式(4),总势的傅里叶分量为

将(6)代入(7)得到

定义介电函数 ,其满足

比较式(8)立即得到RPA近似下介电函数与极化率的关系

根据这个式子,我们还需要知道 的具体形式。对于自由电子体系,哈密顿量为

密度算符的傅里叶分量为

根据Kubo公式,推迟的密度-密度响应函数为

在相互作用表象中,场算符时间演化满足 。计算对易子得到

利用费米子对易关系,得到

取平均后,(费米分布),于是

其中 。

定义 ,并利用恒等式 ,得到

这就是著名的Lindhard函数(因子2来自自旋简并)。综上