¿Cómo conciliamos la teoría cuántica de los sólidos con el principio de exclusión de Pauli?

Una banda de energía en un sólido no es un solo estado, sino una colección de otros relacionados. La distribución de electrones se verá similar dentro de cada banda, pero hay una gran cantidad de estados de impulso con diferentes energías en cada banda. Para un sólido infinito, las bandas son continuas, y esta es una buena aproximación al caso real de un sólido macroscópico, donde hay un número finito de estados realmente cercanos en valores de momento y energía.


Estructura de banda en LaAg (fuente: http://iopscience.iop.org/0953-8…)

Por lo tanto, solo hay un electrón por estado (teniendo en cuenta que girar arriba / abajo da dos estados distintos). En cada banda, cada electrón tiene un vector de momento único y un vector de onda correspondiente con una periodicidad relacionada con la de la red cristalina.

Un gran recurso para la teoría y los esquemas de la física de la materia condensada en general es la Guía de física de semiconductores de Britney Spears . (http://britneyspears.ac/lasers.htm)

No hay contradicción aparente, siempre que sepas qué es una banda de energía . Una banda de energía es (lo que parece ser) una línea continua que se muestra en un diagrama de estructura de banda:

Aquí, [matemática] H [/ matemática] es el hamiltoniano que rige la evolución temporal de un electrón en el sólido. Los subespacios [matemática] V_k [/ matemática] son ​​precisamente los espacios propios del operador de traducción [matemática] T_a [/ matemática] que genera el grupo de simetría de la red.

El diagrama de estructura de banda simplemente nos permite visualizar el espectro de [matemáticas] H [/ matemáticas], en términos de los espectros de los operadores restringidos [matemáticas] H | _ {V_k}: V_k \ a V_k [/ matemáticas], que son los cortes verticales [matemática] k = \ text {const} [/ matemática] del gráfico. Por lo tanto , siempre debe pensar verticalmente, no horizontalmente , cuando lea estos diagramas.

En la imagen de arriba, la banda roja representa el valor propio más pequeño, el naranja el segundo más pequeño, y así sucesivamente. Además, la mayoría de las veces, para no afectar la física por los efectos de los límites, la condición

[matemáticas] e ^ {ikNa} = 1 [/ matemáticas]

se impone, donde [matemáticas] N [/ matemáticas] es el número de átomos en el sólido. Entonces, en realidad, solo hay valores [matemática] N [/ matemática] de [matemática] k [/ matemática], por lo que el diagrama debe parecer discreto. A continuación se muestra lo que el El diagrama de estructura de banda es, por ejemplo, si el número de átomos es 10:
Ahora, debe quedar claro que cada banda contiene estados (etiquetados por [math] (k, E) [/ math], donde [math] V_k [/ math] es el subespacio en el que reside el estado, y [math] E [/ math] es el valor propio bajo la aplicación de [math] H | _ {V_k} [/ math]) para el que puede habitar un electrón. Una vez más, piense en términos de cortes verticales, no en bandas horizontales.

El principio de exclusión de Pauli dice entonces:

Principio de exclusión de Pauli Cada estado (punto) en el diagrama puede estar ocupado por no más de un electrón.

lo que significa que estas bandas se “llenan”. Por lo tanto, el principio de exclusión de Pauli y el formalismo de estructura de banda no se contradicen entre sí. Más bien, se complementan entre sí, proporcionando la imagen física completa.

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