Куда (и почему) меняется значение слова «кристалл»

N+1Наука

Новый порядок

Куда (и почему) меняется значение слова «кристалл»

Марат Хамадеев

Часто так бывает, что одни и те же слова имеют разное значение — как для специалистов, так и обывателей. Например, «качественно» для ученых — не так уж и хорошо, по-настоящему качественное исследование должно приходить не к качественным (квалитативным) выводам, а количественным (квантитативным). Но это уже вполне устоявшаяся языковая конвенция. Есть термины, техническое значение которых прямо сейчас удаляется от привычного. Поговорим о кристаллах.

Большинство физиков все еще понимают под словом «кристалл» твердое тело, состоящее из периодически упакованных атомов. Но за последние десятилетия его стали применять к средам и явлениям, которые твердыми-то назвать нельзя. Рассказываем, что же такого некристаллического теперь в кристаллах — и почему.

Все современные значения слова «кристалл» продолжают отсылать к свойствам, которыми обладают традиционные кристаллы. В первую очередь — к трансляционной симметрии. Это значит, что если сместить бездефектную кристаллическую решетку традиционного кристалла на любое целое число периодов, то ее свойства не изменятся (равно как и свойства погруженных в нее электронов проводимости, электронных дырок, фононов и прочих квазичастиц).

Под бездефектностью решетки понимается в том числе и ее бесконечность. Такое не встречается в реальности. Однако практика показывает что такая модель работает хорошо, если строгий порядок сохраняется в пределах достаточно большого числа периодов. Это же касается и поликристаллических образцов, то есть образцов, состоящих из небольших монокристаллических доменов, ориентированных относительно друг друга под разными углами.

Это сказывается в первую очередь на электронах проводимости, которые путешествуют по всему кристаллу. Электроны рассеиваются на отдельных атомах, а не в непрерывной среде — это влияет и на то, как между собой связаны их энергия и импульс. То есть в кристалле меняются их дисперсионные соотношения: кинетическая энергия свободных электронов растет как квадрат импульса, а у электронов проводимости в кристалле эта функция становится периодической. Новая периодичность — уже в импульсном пространстве — позволяет ввести в нем обратную решетку (подробнее об обратных решетках мы рассказывали в материале «Тонко закручено»). Ее ячейки получили название зон Бриллюэна.

be44325f542ae3023bc62fd4bc4d7f9d.png
(a) Параболическая зависимость энергии электрона от его импульса (черная сплошная линия) разбивается в кристаллах на энергетические зоны проводимостями (синие отрезки), разделенными пустотами — запрещенными зонами. (б) Внутри зон эта зависимость становится периодической. Большая Российская Энциклопедия

В бесконечной решетке физики следят за квазиимпульсом электронов — векторной величиной, которая описывает поведение электрона как квазичастицы внутри периодической решетки кристалла. Поскольку квазиимпульс периодический, то и определяют его в пределах одного периода в импульсном пространстве (одной зоны Бриллюэна).

Другая особенность кристаллов — в частичном нарушении закона сохранения импульса (точнее, квазиимпульса). Согласно теореме Нётер, сохранение импульса — это следствие однородности пространства, то есть неизменности законов физики относительно трансляций на любой вектор. Другими словами, все частицы продолжают вести себя так же, как и всегда, независимо от того, в какой точке пространства они находятся или куда двигаются. Но для электронов проводимости в кристаллах это не так. Из-за этого закон сохранения импульса справедлив только частично: импульс в кристаллических процессах сохраняется с точностью до целого числа периодов.

Впрочем, никакой фундаментальной беды здесь нет. Если помните, мы ведем речь о бесконечной решетке — а значит и масса у нее бесконечна. Если бы масса решетки была сопоставима с массой электрона, нам нужно было бы учитывать ее отдачу в процессах рассеяния, а закон сохранения импульса работал бы в полную силу.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Новые гибкие актуаторы позволили колесному роботу трансформироваться в квадрокоптер Новые гибкие актуаторы позволили колесному роботу трансформироваться в квадрокоптер

Инженеры разработали гибкие актуаторы, которые могут плавно деформироваться

N+1
«Если вы никого не раздражаете, то, возможно, не делаете ничего важного»: 3 полезных факта для достижения успеха «Если вы никого не раздражаете, то, возможно, не делаете ничего важного»: 3 полезных факта для достижения успеха

Чем существеннее ваши достижения, тем выше вероятность разозлить окружающих

Psychologies
Риск инфаркта оказался меньше после шунтирования желудка по сравнению с рукавной пластикой Риск инфаркта оказался меньше после шунтирования желудка по сравнению с рукавной пластикой

Риск инфаркта миокарда ниже после шунтирования желудка, чем после гастропластики

N+1
Компрессионный трикотаж: 3 правила правильного выбора Компрессионный трикотаж: 3 правила правильного выбора

Как снизить риски проявления варикоза?

Psychologies
10 ошибок в аэропорту, которые дорого вам обойдутся 10 ошибок в аэропорту, которые дорого вам обойдутся

Рассказываем о мелочах, которые могут существенно подорвать бюджет поездки

Maxim
«Сон под микроскопом» «Сон под микроскопом»

Чем обусловлена наша потребность во сне и откуда берется сонливость и усталость

N+1
13 неочевидных правил успешного человека: проверьте себя 13 неочевидных правил успешного человека: проверьте себя

Как еще можно определить, что вы уже вполне успешный человек?

Maxim
Сотворение Одессы-мамы, или Как Моисей Винницкий стал Беней Криком Сотворение Одессы-мамы, или Как Моисей Винницкий стал Беней Криком

Одесса считается столицей преступного мира дореволюционной России

Дилетант
Особенный ребенок Особенный ребенок

Как на ранних стадиях распознать, что с ребенком что-то не так

Лиза
Как голос ИИ может помочь в лечении депрессии и тревоги: вы поразитесь! Как голос ИИ может помочь в лечении депрессии и тревоги: вы поразитесь!

Могут ли роботы помочь в лечении депрессии?

ТехИнсайдер
Как бизнесмен из Волжского создал сеть блинных по франшизе и вышел в Дубай Как бизнесмен из Волжского создал сеть блинных по франшизе и вышел в Дубай

Евгений Купко рассказывает, как ему пришла идея открыть блинную

Forbes
Чтобы работал как часы: 5 напитков, которые любит твой кишечник Чтобы работал как часы: 5 напитков, которые любит твой кишечник

Эти вкусные, полезные и доступные напитки день за днем улучшают твой микробиом

VOICE
Почему люди боятся насекомых и пауков Почему люди боятся насекомых и пауков

Так почему мы так боимся насекомых?

ТехИнсайдер
10 лучших сериалов про сумасшедших, душевнобольных и психбольницы 10 лучших сериалов про сумасшедших, душевнобольных и психбольницы

10 проектов, о том, как безумие и ментальные проблемы влияют на людей

Maxim
Из России за титулом: как бывшие звезды РПЛ сделали «Наполи» чемпионом Италии Из России за титулом: как бывшие звезды РПЛ сделали «Наполи» чемпионом Италии

Как «Наполи» стал чемпионом Италии по футболу впервые за 33 года

Forbes
Активный образ жизни обезболил людей Активный образ жизни обезболил людей

Тест выявил анальгетическое действие повседневной физической активности

N+1
Гид в кармане Гид в кармане

7 полезных приложений для путешествий по России

Лиза
Нескучный сад: как устроена работа крупнейшего в Европе цветочного парка Нескучный сад: как устроена работа крупнейшего в Европе цветочного парка

Андре Бейк рассказал, как стал садовником в парке цветов Кёкенхоф в Лиссе

Вокруг света
Как зарабатывать больше денег? Надо изучать философию в университете! Как зарабатывать больше денег? Надо изучать философию в университете!

Специалисты по философии зарабатывают больше денег, чем многие их сверстники

ТехИнсайдер
«Как сказать мужчине, чего мне хочется?»: 3 совета сексолога «Как сказать мужчине, чего мне хочется?»: 3 совета сексолога

Как откровенно разговаривать со своим партнером?

Psychologies
Что надеть, чтобы стать счастливее: объясняет психолог Что надеть, чтобы стать счастливее: объясняет психолог

Какая одежда способна сделать нас по-настоящему счастливыми?

Psychologies
Прощай, королева рок-н-ролла: какими были последние годы Тины Тернер перед смертью Прощай, королева рок-н-ролла: какими были последние годы Тины Тернер перед смертью

Какими были последние годы жизни Тины Тернер?

VOICE
Самки павианов перестали выбираться в город после рождения детенышей Самки павианов перестали выбираться в город после рождения детенышей

Посещать человеческие поселения с новорожденным слишком опасно

N+1
Скажи мне «да»: как научиться «культуре согласия»? Скажи мне «да»: как научиться «культуре согласия»?

Оказывается, умение сказать «да» дается тоже непросто, особенно женщинам

VOICE
5 признаков того, что вы находитесь в созависимых отношениях 5 признаков того, что вы находитесь в созависимых отношениях

Какие признаки созависимых отношений бывают и можно ли с этим справиться?

Psychologies
Обновление классики: к 5 языкам любви добавились еще два Обновление классики: к 5 языкам любви добавились еще два

Как выразить любовь вашему спутнику?

VOICE
Главный летний напиток: чем полезен и чем вреден любимый многими квас Главный летний напиток: чем полезен и чем вреден любимый многими квас

Безопасно ли пить квас?

ТехИнсайдер
«Это было прекрасное путешествие»: какими были жизнь и карьера Тины Тернер «Это было прекрасное путешествие»: какими были жизнь и карьера Тины Тернер

Когершын Сагиева вспоминает личную историю Тины Тернер

Forbes
Зачем нужны очки для компьютера? Простое объяснение Зачем нужны очки для компьютера? Простое объяснение

Почему стоит обратить внимание на очки для компьютера

ТехИнсайдер
Иные миры Иные миры

Инопланетные пейзажи на Земле

Men Today
Открыть в приложении