上次的结果 Lec_09
relaxation time 和 linear response
Ji=∫pmpiδf=σijτq∫pm2pipj(−∂ε∂feq)(Ej−∂jμ/q)linear response
同时存在一个 exact solution
μ+qϕ=const.
问题是: 这是一个 local 还是 global 的 equilibrium
这个回答有不同的角度: 首先这个结果是 x dependent 的, 包含了 local 的性质
另外这个结果也满足 global equilibrium 的解的要求
一个例子是干电池, 内部是不是 equilibrium
电池的能量可以来源于不同的形式, 满足上面结果的干电池是哪种?
最简单的回答是没电的电池
但是如果一直有 ϕ=ϕ(x) 这就不一定是一个 global 的性质
这也可能是先约定好什么叫 global equilibrium
一种好的约定是认为当系统没有 time dependent 的时候系统达到了 global equilibrium
如果上面的结果也没有 time dependent, 我们也可以认为这描写了 global equilibrium
回到前面的两个 scale
1/τ≪∂t,v∂xballistic
1/τ≫∂t,v∂xhydrodynamics
如果做进一步的细化, 讨论 ∂t,v∂x 的关系
首先的观察是, 前文的外场得到的 exact solution 在 slow limit ∂t≪v∂x 对两种情景都是满足的 (和 τ 无关) , 只要 ∂t≈0
但在 fast limit, 就不相同了, 此时 ∂x≃0
∂tf+qE⋅∂pf=−τδf
在 linear response 下, 可以将动量部分做替换 f∼feq, 但是为了保留含时贡献, 对时导数只能做 δf 的替换 (feq 不含时)
这种情况下, 一种解是
(∂t+τ1)δf=qE⋅mp(−∂εfeq),fleq∼feq
这里需要对 p odd 的部分
这个方程可以解
δf~=−iω+τ1iωqAimpi∂εfeq
在 ω,τ1 的不同关系下, 这给出了不同响应
当 ω≫1/τ 时, 这与 A 是 same phase 的
当 ω≪1/τ 时, 这与 E 是同相的
这两个范围给出了不同的图像

在这种情况, ballistic 给出 σ∝1/ω, 而 hydrodynamic 给出 σ∝τ
可以发现, 在 ω≪1/τ 时, 这给出了和 slow limit 相同的解
但是在 fast limit 下, linear response 是一个合理的近似解, 但在 slow limit 下, 这不是一个合理的解 (环境自由度被藏在了里面), 而 μ+qϕ=const. 是一个合理的解
∂xμ−qE 总是一直出现吗? (至少在 slow limit 下)
在 global equilibrium 下, 我们有关系 μ+qϕ=const.
但在电流中, 并不是这样
我们知道
J0(x,t)=∫pf,Ji(x,t)=∫pdtdxiEoMf
符合 ∂μJμ=0, 只要 evolution 和 collision 都保持 particle number
但是 current 不一定都是这个形式, 粒子数守恒的条件允许添加一项全散度 ∂νMμν
上面实际上是粒子流, 而实验中通常使用的是电流
首先两者都是一个观测量
先看看如果存在多的项 Mμν , 这应该是什么
一个想法是考虑多极矩, 按照一般的电流密度的定义, 可以加入极化电流, 这样 Mμν 可以理解为极化密度
但是这个结果如何进入上面的定义?
考虑单粒子 action
S=∫[pix˙i+qAμ(x,t)x˙μ−H]dt,x˙μ=(1,x˙i)
若还带有多极矩, 应该在 action 里面加入什么项? 首先应该有一部分能量, 可以用极化密度和电磁场构造
Sint=∫dt[qAμ(x,t)x˙μ+21μμνFμν(x,t)]
其中 μμν=−μνμ, 且
Fμν=∂μAν−∂νAμ
同时从 Noether thm 得到的 Noether current 也不能探测出全导数项, 之前提到过, 这需要考虑和场的耦合, 按照电流的结果
Jμ(x′,t′)=δAμ(x′,t′)δSint
对多极矩项做变分. 利用 μμν 反对称性,
21μμνδFμν=μμν∂μδAν
这里对外场的泛函导数为
δAν(x′,t′)δAμ(x(t),t)=δμνδd(x(t)−x′)δ(t−t′)
以及
δAν(x′,t′)δFρσ(x(t),t)=(δσν∂ρ−δρν∂σ)[δd(x(t)−x′)δ(t−t′)]
其中 ∂μ 作用在粒子位置的时空坐标 (x(t),t) 上. 代入作用量得到
δAν(x′,t′)δSint=∫dt[qx˙νδd(x(t)−x′)δ(t−t′)+μμν∂μ(δd(x(t)−x′)δ(t−t′))]
现在对 t 积分. 对第一项直接令 t=t′. 对第二项, 空间导数可用
∂xiδd(x(t)−x′)=−∂x′iδd(x(t)−x′)
时导数项要对 t 分部积分:
∫dtμ0ν∂t[δd(x(t)−x′)δ(t−t′)]=−dtd[μ0νδd(x(t)−x′)]t=t′
所以完整地有
Jν(x′,t′)=qx˙ν(t′)δd(x(t′)−x′)−dt′d[μ0ν(t′)δd(x(t′)−x′)]−∂x′i[μiν(t′)δd(x(t′)−x′)]
现在把两个分量用带撇的观测点定义重写.
先对 A0(x′,t′) 求泛函导数:
J0(x′,t′)=δA0(x′,t′)δSint
这一项里面需要用到
δA0(x′,t′)δAν(x(t),t)=δν0δd(x(t)−x′)δ(t−t′)
以及
δA0(x′,t′)δ∂μAν(x(t),t)=δν0∂μ[δd(x(t)−x′)δ(t−t′)].
所以
J0(x′,t′)=∫dt[qx˙0(t)δd(x(t)−x′)δ(t−t′)+μμ0(t)∂μ(δd(x(t)−x′)δ(t−t′))]=∫dt[qδd(x(t)−x′)δ(t−t′)+μi0(t)∂xi(t)(δd(x(t)−x′)δ(t−t′))].
这里 μ00=0. 再用
∂xi(t)δd(x(t)−x′)=−∂x′iδd(x(t)−x′)
得到
J0(x′,t′)=qδd(x(t′)−x′)−∂x′i[μi0(t′)δd(x(t′)−x′)].
再对 Ai(x′,t′) 求泛函导数:
Ji(x′,t′)=δAi(x′,t′)δSint
此时
δAi(x′,t′)δAν(x(t),t)=δνiδd(x(t)−x′)δ(t−t′)
以及
δAi(x′,t′)δ∂μAν(x(t),t)=δνi∂μ[δd(x(t)−x′)δ(t−t′)].
代入后
Ji(x′,t′)=∫dt[qx˙i(t)δd(x(t)−x′)δ(t−t′)+μμi(t)∂μ(δd(x(t)−x′)δ(t−t′))]=∫dt[qx˙i(t)δd(x(t)−x′)δ(t−t′)+μ0i(t)∂t(δd(x(t)−x′)δ(t−t′))+μji(t)∂xj(t)(δd(x(t)−x′)δ(t−t′))].
空间导数项仍然换成对 x′ 的导数. 时间导数项对 t 分部积分:
∫dtμ0i(t)∂t[δd(x(t)−x′)δ(t−t′)]=−dtd[μ0i(t)δd(x(t)−x′)]t=t′.
于是
Ji(x′,t′)=qx˙i(t′)δd(x(t′)−x′)−dt′d[μ0i(t′)δd(x(t′)−x′)]−∂x′j[μji(t′)δd(x(t′)−x′)].
对于多粒子情形, 按照相空间权重
∫p,xf(t,x,p)
做积分, 这个积分消掉了 δd(x−x′). 定义
Mμν(x,t)=∫pμμν(x,p)f(t,x,p)
就得到
Jμ(x,t)=Jconvμ(x,t)−∂νMνμ(x,t)=Jconvμ(x,t)+∂νMμν(x,t).
这正是 Noether thm 中少写的全导数项; 由于 Mμν 反对称, 它不会改变 ∂μJμ=0.
一个例子是考虑 global equilibrium 的电荷系统, 即使 μ,ϕ 都不随时间变化
局部仍然可以有电流
∂jMij(μ)

即使是在 ϕ=0 的情况, 这个电流也可能存在. 这种情况 ∂iμ 存在, 但 Ei 消失
但对这个局部电流积分之后, 我们总得到总电流为 0:
∫ddx∂jMij=∫∂VdSjMij=0
当然也可以问是否存在只和电场有关但和 μ 无关的电流?
这就是 Berry curvature