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

Противовирусные не принесли значимой пользы при амбулаторном лечении гриппа Противовирусные не принесли значимой пользы при амбулаторном лечении гриппа

Противовирусная терапия не влияет на смертность при нетяжелом течении гриппа

N+1
Глубоководные осьминоги спустились на 2600 метров ради охоты Глубоководные осьминоги спустились на 2600 метров ради охоты

Большую часть времени эти осьминоги проводят в толще воды, а охотятся на дне

N+1
Челюсть из Сварткранса указала на потенциально новый вид парантропов Челюсть из Сварткранса указала на потенциально новый вид парантропов

Ученые повторно исследовали нижнюю челюсть SK-15, которую нашли в 1949 году

N+1
Екатерина Смольникова Екатерина Смольникова

Основательница благотворительного фонда Play And Help и автор детских книг

Собака.ru
Топ-5 самых неочевидных способов обмана при продаже авто Топ-5 самых неочевидных способов обмана при продаже авто

На что стоит обращать внимание неопытным водителям при покупке авто?

Maxim
Коллекционерам на заметку: 20 редких и дорогих наборов LEGO, производившихся серийно Коллекционерам на заметку: 20 редких и дорогих наборов LEGO, производившихся серийно

Бывают нумизматы, бывают филателисты, а бывают – коллекционеры LEGO

ТехИнсайдер
«Это было очень мило. Я заплакала»: Сара Фергюсон раскрыла тайну имени сына принцессы Евгении «Это было очень мило. Я заплакала»: Сара Фергюсон раскрыла тайну имени сына принцессы Евгении

Бывшая невестка Елизаветы II рассказала о младшем внуке

VOICE
Просыпаетесь уставшими? Западные эксперты объяснили, в чем проблема! Просыпаетесь уставшими? Западные эксперты объяснили, в чем проблема!

Что такое эффект "инерции сна" и почему из-за него мы ощущаем себя уставшими?

ТехИнсайдер
Так ли хорошо ромашковый чай успокаивает нервы? Так ли хорошо ромашковый чай успокаивает нервы?

Как ромашковый чай действует на организм?

ТехИнсайдер
Обед с метеоритом Обед с метеоритом

Как знаменитый Челябинский метеорит оставил след на кулинарной карте региона

Лиза
«Мой муж не стал приматом»: Анна Снаткина призналась, что Виктор Васильев снялся во втором сезоне сериале «Два холма» «Мой муж не стал приматом»: Анна Снаткина призналась, что Виктор Васильев снялся во втором сезоне сериале «Два холма»

Анна Снаткина рассказала о закулисье телепроекта «Два холма»

VOICE
Эмоциональное выгорание Эмоциональное выгорание

Почему возникает эмоциональное выгорание и как с ним бороться?

Лиза
Двойные стандарты в отношениях Двойные стандарты в отношениях

Как определить двойные стандарты в отношениях?

Лиза
Нужно ли промывать рис перед готовкой: мнение экспертов Нужно ли промывать рис перед готовкой: мнение экспертов

Зачем люди промывают рис?

ТехИнсайдер
Грызть ногти, жевать жвачку и еще пять вредных привычек, которые на самом деле приносят пользу Грызть ногти, жевать жвачку и еще пять вредных привычек, которые на самом деле приносят пользу

Оказывается, плохие манеры идут на пользу детской психике

Maxim
Умер автор передачи «Спокойной ночи, малыши»: что для нас значила эта программа Умер автор передачи «Спокойной ночи, малыши»: что для нас значила эта программа

Что значила передача «Спокойной ночи, малыши» для детей в СССР?

Psychologies
8 бытовых проблем, с которыми может справиться обычный пинцет — берите на заметку! 8 бытовых проблем, с которыми может справиться обычный пинцет — берите на заметку!

Это крошечное, но очень полезное приспособление должно быть в каждом доме

ТехИнсайдер
Нос кошки устроен как отличный газовый хроматограф Нос кошки устроен как отличный газовый хроматограф

Ученые создали трехмерную компьютерную модель носа кошки

ТехИнсайдер
Как поклонники бизнес-тренингов построили сеть школ барабанов по франшизе на 1,2 млрд Как поклонники бизнес-тренингов построили сеть школ барабанов по франшизе на 1,2 млрд

Как устроена сеть музыкальных кружков под брендом «Не школа»?

Forbes

Грузовые суда оснастят высокотехнологичными парусами

ТехИнсайдер
Отличные партнеры, но ужасные соседи: гостевой брак — кому подойдет такой тип отношений Отличные партнеры, но ужасные соседи: гостевой брак — кому подойдет такой тип отношений

Возможно ли сохранить любовь и растить детей, если вы живете раздельно?

Psychologies
Датский кинорежиссер Мартин Сковбьерг: Если мы не переосмыслим суть привилегированности, то чувства многих останутся проигнорированы Датский кинорежиссер Мартин Сковбьерг: Если мы не переосмыслим суть привилегированности, то чувства многих останутся проигнорированы

Режиссер Мартин Сковбьерг — о губительных социальных нормах и Копенгагене

СНОБ
Имитация человеческого глаза подняла роботизированное Имитация человеческого глаза подняла роботизированное

Нейроморфное устройство позволит роботам принимать быстрые решения

ТехИнсайдер
Целебное касание Целебное касание

Средство, приносящее пользу людям, повышающее жизненный тонус... массаж

Здоровье
Тренд на джентрификацию Тренд на джентрификацию

В современных городах набирает обороты джентрификация

РБК
Он шантажом заставлял Софью рожать все чаще и чаще: жуткие факты из жизни Льва Толстого Он шантажом заставлял Софью рожать все чаще и чаще: жуткие факты из жизни Льва Толстого

Софья и Лев Толстой познакомились, когда ей было 18, а ему 34

ТехИнсайдер
Правила жизни Моисея Гинзбурга Правила жизни Моисея Гинзбурга

Правила жизни советского архитектора и одного из лидеров конструктивизма

Правила жизни
Древнерусская невеста: как выходили замуж и устраивали свадебные пиры на Руси Древнерусская невеста: как выходили замуж и устраивали свадебные пиры на Руси

На Руси свадьба была делом общесемейным, поэтому заключались браки как сделки

Forbes
Выражайте благодарность и проявляйте сочувствие: 5 шагов к улучшению отношений — попробуйте на практике Выражайте благодарность и проявляйте сочувствие: 5 шагов к улучшению отношений — попробуйте на практике

Мы часто слышим: отношения — это работа. Но что именно следует делать?

Psychologies
Перенос вагинальной микробиоты детям после кесарева сечения улучшил их нервно-психическое развитие Перенос вагинальной микробиоты детям после кесарева сечения улучшил их нервно-психическое развитие

Перенос вагинальной микробиоты детям улучшил их нервно-психическое развитие

N+1
Открыть в приложении