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Momento angular del cristal

En un cristal, no tenemos una simetría traslacional completa, pero seguimos teniendo traslaciones discretas. Esto nos permite definir el "momento del cristal" que se conserva modulo un vector recíproco de la red.

En un cristal, no tenemos una simetría rotacional completa, pero seguimos teniendo una simetría rotacional discreta de 2, 3, 4 y/o 6 pliegues. ¿Podemos definir un "momento angular del cristal"?

Además, una pregunta no relacionada: si tenemos un estado de impureza semiconductor que se asemeja a un estado 1s, 2p, etc. del hidrógeno... ¿cuál es su momento angular?

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Nathan Feger Puntos 7675

Si un cristal tiene un grupo discreto de simetrías puntuales entonces las eigenfunciones electrónicas serán convenientemente invariantes bajo ese grupo. Formalmente, la simetría requiere que las funciones propias de un hamiltoniano con grupo de simetría $G$ pertenecen a los distintos representaciones de ese grupo.

En abstracto, una representación de un grupo $G$ es un espacio vectorial (en este caso un subespacio de energía degenerada) $V$ y una "receta" para transformar unitariamente los vectores en $V$ con las transformaciones de $G$ en forma de homomorfismo de grupo $R:G\rightarrow U(V)$ . Si se conoce la estructura de un grupo (en la forma de su tabla de multiplicación) entonces se pueden decir muchas cosas sobre sus posibles representaciones, que se suelen denotar con alguna notación estándar (por ejemplo $E$ , $A$ , $B$ etc.). Las funciones de onda se etiquetan por el tipo de representación del subespacio al que pertenecen.

Para volver a reducir esto al momento angular, los subespacios con diferentes $l$ son los diferentes subespacios de representación. El grupo en cuestión es el grupo de rotación $\text{SO} (3)$ . Tiene una familia infinita de representaciones de dimensión finita creciente, y el índice $l$ que los etiqueta es precisamente el número cuántico del momento angular de esas funciones de onda. En términos de teoría de grupos, entonces, "tener un momento angular definido" significa simplemente "pertenecer a una representación adecuada de $\text{SO} (3)$ ".

Así, un cristal con simetría puntual tendrá funciones propias electrónicas que sí tienen "momento angular cristalino definido", en el sentido de que pertenecen a una determinada representación del grupo puntual.


Añadido en respuesta al comentario:

Por desgracia, no existe ninguna cantidad física que corresponda a esta simetría. Esto se debe al hecho general de que las simetrías discretas no tienen generadores. Mientras que se pueden escribir rotaciones, por ejemplo, en la forma $e^{i\mathbf{J}\cdot\hat{\mathbf{n}}\theta}$ , donde $\mathbf{J}$ es el generador, esto no es realmente significativo para las simetrías discretas.

Una buena comparación para esto es la paridad: si $\Pi$ se desplaza con $H$ entonces decimos que la paridad se conserva, en el sentido de que la propia transformación es una constante del movimiento. Para un grupo discreto más general $G$ (en lugar de $G=\{-1,1\}$ para la paridad) entonces las etiquetas $+$ y $-$ se sustituyen por la representación del grupo. Del mismo modo, las etiquetas $l$ y $m$ corresponden a la representación del grupo y a los valores propios de alguna transformación particular del grupo. Ambos se conservan bajo $H$ pero no hay ningún generador.

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kch Puntos 110

No estoy seguro de tener claro lo que quiere decir con Momento angular del cristal pero aquí hay algunas ideas.

Hay que distinguir entre el momento angular debido a la rotación de un objeto como sistema sólido y la de un sistema formado por subsistemas cada uno de ellos con momento angular - átomos en el cristal en este caso.

Los átomos individuales de un cristal tienen momento angular, y así es como obtienen su momento dipolar magnético. En los cristales que tienen magnetización, la mayoría de los momentos angulares atómicos apuntan en la misma dirección, por lo que estos cristales presentan propiedades magnéticas. Pero eso se refiere al momento angular total de los átomos individuales, "sueltos" por así decirlo, del cristal y no a que el cristal en sí gire como un objeto sólido. Espero que esto tenga sentido.

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