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Reduktion des Vielteilchenproblems auf ein Einteilchenproblem

Es bringt für Vielteilchenprobleme eine große Vereinfachung mit sich, wenn die Zweiteilchen-Wechselwirkung (Zweiteilchenterme im Hamiltonoperator) näherungsweise durch ein effektives Potential (einen Einteilchenterm) nachgeahmt werden kann. Ein System wechselwirkender Teilchen in einem äußeren Potential V wird so durch ein Referenzsystem nichtwechselwirkender Teilchen in einem modifizierten mittleren Potential tex2html_wrap_inline7293 ersetzt.
Das Problem N nichtwechselwirkender Spin-tex2html_wrap_inline7297-Teilchen in einem äußeren Potential ist nämlich vergleichsweise einfach zu lösen: der Grundzustand ist einfach das antisymmetrisierte Produkt (die Slaterdeterminante) der N untersten Einteilchenzustände in diesem Potential. Das Problem nichtwechselwirkender Teilchen ist damit äquivalent zu einem Einteilchenproblem mit Einteilchenhamiltonoperator h.
Eine wichtige Einteilchengröße ist die totale Zustandsdichte (auch DOS, für ``density of states''): dies ist eine Distribution, die für ein System die Einteilchenergien und ihre Multiplizitäten angibt. Sie ist definiert als
eqnarray2096
Hier soll j alle Einteilchenzustände tex2html_wrap_inline7303 indizieren. Die DOS wird gerne näherungsweise als eine stetige Funktion betrachtet.
Bei endlicher Temperatur T ist für das nichtwechselwirkende Referenzsytem die Besetzungswahrscheinlichkeit eines Zustandes durch die Fermi-Dirac-Verteilung
displaymath2099
gegeben. Das chemische Potential tex2html_wrap_inline7307 ist für jede Temperatur durch die vorgegebene Teilchenzahl N bestimmt:
displaymath2104
Die Fermienergie tex2html_wrap_inline6499 ist das chemische Potential für T=0 und liegt in der Mitte zwischen dem obersten besetzten und dem untersten unbesetzten Zustand.
Obwohl die Einteilchen-DOS nur im Rahmen der Einteilchennäherung überhaupt definiert ist, nimmt sie in der Festkörperphysik eine zentrale Stellung ein: Viele Transporteigenschaften von Festkörpern, lassen sich in einer groben Näherung auf die Einteilchenzustandsdichte im Bereich der Fermikante zurückführen. Zudem liefert die DOS mit der Bandstrukturenergie, dem ''Energieschwerpunkt'' unterhalb tex2html_wrap_inline6499, einen entscheidenden Beitrag zur gesamten Strukturenergie und hat damit wesentlichen Einfluß auf die Stabilität von Strukturen.