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

В Словакии обнаружили средневековое золотое кольцо с корундом со Шри-Ланки В Словакии обнаружили средневековое золотое кольцо с корундом со Шри-Ланки

Археологи описали необычное золотое кольцо, найденное в словацком городе Зволен

N+1
Почему болит спина: 5 медицинских фактов о взаимосвязи тела и эмоций Почему болит спина: 5 медицинских фактов о взаимосвязи тела и эмоций

Почему боли в спине так тяжело диагностируются и поддаются лечению?

ТехИнсайдер
4 способа улучшить сон с помощью спорта 4 способа улучшить сон с помощью спорта

Методы, которые существенно помогают при различных аспектах нарушений сна

ТехИнсайдер
Квадрокоптер получил магнитный штепсель Квадрокоптер получил магнитный штепсель

Разработано дешевое решение для автономной подзарядки мультикоптеров

N+1
5 ключей к разумному оптимизму 5 ключей к разумному оптимизму

Как видеть в жизни хорошее, не вступая в противоречие со здравым смыслом

Psychologies
Номер на одного: как поездка в одиночестве поможет пережить развод — 3 преимущества Номер на одного: как поездка в одиночестве поможет пережить развод — 3 преимущества

Поездка в одиночестве имеет немало преимуществ

Psychologies
«Перезаряжайте батарейки»: 7 привычек, которые помогают поддерживать мотивацию каждый день «Перезаряжайте батарейки»: 7 привычек, которые помогают поддерживать мотивацию каждый день

Как быть, если силы на исходе, а мотивация на нуле?

Psychologies
Такая красивая и одна? Почему Ирина Шейк не замужем - отвечает нумеролог Такая красивая и одна? Почему Ирина Шейк не замужем - отвечает нумеролог

Почему у Ирины Шейк не ладится личная жизнь? Спросили у нумеролога

VOICE
От белого платья до личного выбора: как эмансипация изменила свадебные традиции От белого платья до личного выбора: как эмансипация изменила свадебные традиции

Как наряд невесты прошел путь от церемониального облачения до личного выбора

Forbes
Как восточные женщины сохраняют шлейф и аромат парфюма вокруг себя - три простых секрета, которые ты захочешь повторить Как восточные женщины сохраняют шлейф и аромат парфюма вокруг себя - три простых секрета, которые ты захочешь повторить

Несколько секретов, которые восточные женщины применяют каждый день

VOICE
«Михалков покорил Мордюкову усами, одеколоном и «мерседесом», — рассказывал Виктор Мережко «Михалков покорил Мордюкову усами, одеколоном и «мерседесом», — рассказывал Виктор Мережко

Я был очень наглым. Когда учился на первом курсе ВГИКа, просочился в Дом кино...

Коллекция. Караван историй
Борьба с жестоким миром: почему от стресса хочется есть — ответ ученых Борьба с жестоким миром: почему от стресса хочется есть — ответ ученых

Почему наш мозг требует больше жирной и калорийной пищи, когда переживает стресс

Psychologies
Недружелюбный или эмоционально нестабильный: 4 типа токсичных начальников — как найти подход Недружелюбный или эмоционально нестабильный: 4 типа токсичных начальников — как найти подход

Что делать, если источник проблем — ваш босс?

Psychologies
Мигрень повысила риск преждевременного инфаркта у женщин Мигрень повысила риск преждевременного инфаркта у женщин

У женщин с мигренью риск инфаркта миокарда и инсульта выше, чем у мужчин

N+1
Достойный поклонения Достойный поклонения

Летнее путешествие в легендарный город позволит вам не только отдохнуть

Отдых в России
Деревянные руки для робота: необычное изобретение Деревянные руки для робота: необычное изобретение

Теперь ученые использовали древесину для роботизированного захвата

ТехИнсайдер
Роботы в свитерах научились чувствовать прикосновения Роботы в свитерах научились чувствовать прикосновения

Зачем инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов?

N+1
Обед с метеоритом Обед с метеоритом

Как знаменитый Челябинский метеорит оставил след на кулинарной карте региона

Лиза
Пропали без вести и ушли из кино: что стало с детьми из любимого фильма «Подкидыш» Пропали без вести и ушли из кино: что стало с детьми из любимого фильма «Подкидыш»

Как сложилась судьба детей-актеров из фильма «Подкидыш»?

VOICE
Жившего 1,45 миллиона лет назад гоминина разделал другой гоминин Жившего 1,45 миллиона лет назад гоминина разделал другой гоминин

Возможно, это одно из древнейших свидетельств каннибализма

N+1
Почему не сохранились древние памятники славянской культуры Почему не сохранились древние памятники славянской культуры

Почему древние восточные славяне не оставили после себя артефактов и преданий

Maxim
Алиментное соглашение: как превратить худшую часть развода в заботу о ребенке Алиментное соглашение: как превратить худшую часть развода в заботу о ребенке

Почему алиментное соглашение лучше судебного решения

Forbes
Первая карта метагенома почв Первая карта метагенома почв

Почвы представляют собой одно из крупнейших хранилищ мирового биоразнообразия

Наука и жизнь
Из России — в Грузию: зачем дочь Тутберидзе сменила спортивное гражданство Из России — в Грузию: зачем дочь Тутберидзе сменила спортивное гражданство

Что потеряло наше фигурное катание и приобрело грузинское?

Forbes
За регенерацию тела у гидрактиний отвечают процессы старения клеток За регенерацию тела у гидрактиний отвечают процессы старения клеток

Как крошечное морское существо гидрактиния регенерирует новое тело?

ТехИнсайдер
Аккумуляторная независимость: как в России развивается производство литий-ионных накопителей энергии Аккумуляторная независимость: как в России развивается производство литий-ионных накопителей энергии

О том, какова сейчас ситуация с литием и аккумуляторами в России

ТехИнсайдер
Как починить молнию на одежде без помощи мастера: простой ремонт своими руками Как починить молнию на одежде без помощи мастера: простой ремонт своими руками

Есть несколько простых лайфхаков, которые помогут исправить молнию на одежде

ТехИнсайдер
Кератин для волос: 4 причины сделать процедуру или отказаться от нее Кератин для волос: 4 причины сделать процедуру или отказаться от нее

Разбираемся с экспертами в плюсах и минусах кератинового выпрямления

РБК
Как определить форму лица и можно ли ее исправить Как определить форму лица и можно ли ее исправить

Какие формы лица существуют и как определить свою?

РБК
Объективация журналистики Объективация журналистики

Первые фоторепортажи, которые изменили наш взгляд на мир

Weekend
Открыть в приложении