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

«Император Святой Руси» «Император Святой Руси»

Что в XV-XVIII веках означало слово «чин»?

N+1
Людмила Поргина «Ленком». Коллеги Людмила Поргина «Ленком». Коллеги

Судьба подарила мне театр «Ленком», где я встретила свою любовь

Караван историй
Спаривание черного ягуара впервые запечатлели в природе Спаривание черного ягуара впервые запечатлели в природе

Самка-меланистка совокупилась с пятнистым самцом в одном из национальных парков

N+1
Зоологи усомнились в дружбе медоуказчиков и медоедов Зоологи усомнились в дружбе медоуказчиков и медоедов

Сотрудничество медоуказчиков и медоедов может оказаться просто мифом

N+1
Список уловок телефонных мошенников: разбираем самые частые способы обмана Список уловок телефонных мошенников: разбираем самые частые способы обмана

Список из самых распространенных атак телефонных мошенников

Maxim
Когда воссияли звезды: ученые рассказали, какой была таинственная «эпоха Реионизации» на заре времен Когда воссияли звезды: ученые рассказали, какой была таинственная «эпоха Реионизации» на заре времен

Астрономы пытаются разгадать секреты того, когда Вселенная зажгла свои огни

ТехИнсайдер
Вспомнить все Вспомнить все

Лайфхаки для улучшения памяти

Лиза
Максим Пратусевич и Кирилл Сухов Максим Пратусевич и Кирилл Сухов

Физматлицей № 239 — феномен среди образовательных брендов Петербурга

Собака.ru
Японские инженеры испытали роборуку с живой мокрицей Японские инженеры испытали роборуку с живой мокрицей

Японские инженеры использовали мокрицу в качестве захвата для роборук

N+1
Самая вкусная летняя ягода: все, что вы должны знать о черешне Самая вкусная летняя ягода: все, что вы должны знать о черешне

Какую пользу для здоровья несет всего одна горсть черешни в день

ТехИнсайдер
«Находился при охранении клетки с Пугачевым» «Находился при охранении клетки с Пугачевым»

Изучение портрета дворянина открыло малоизвестные эпизоды Пугачёвского бунта

Дилетант
«Кто-то где-то»: драмеди о том, как женщина ищет смысл жизни посреди ничего «Кто-то где-то»: драмеди о том, как женщина ищет смысл жизни посреди ничего

«Кто-то где-то» настолько хороший сериал, что его не стоит пропускать

Forbes
Человек, который не стал Гарри Поттером. Отрывок из романа Давида Фонкиноса Человек, который не стал Гарри Поттером. Отрывок из романа Давида Фонкиноса

Глава из романа о провале, который оказался вдохновляющей историей преодоления

СНОБ
Будут как новые: 5 способов, как очистить инструменты от ржавчины Будут как новые: 5 способов, как очистить инструменты от ржавчины

Эти методы помогут убрать как небольшую, так и застарелую ржавчину!

ТехИнсайдер
6 животных, которые научились разговаривать так же, как люди — вы будете удивлены! 6 животных, которые научились разговаривать так же, как люди — вы будете удивлены!

Некоторые млекопитающие и птицы могут имитировать звук человеческого голоса

ТехИнсайдер
Что такое нейрографика? Что такое нейрографика?

Практика, в которой работают руки и… чувство прекрасного

Psychologies
«Как подстелить соломку» | Building a Safety «Как подстелить соломку» | Building a Safety

Оценка и управление рисками в социальном проектировании

Позитивные изменения
Что за игра Genshin Impact и почему она так популярна Что за игра Genshin Impact и почему она так популярна

Как игра китайской студии miHoYo стала настоящим феноменом

Maxim
Как вернуть любовь мужа: 8 главных советов Как вернуть любовь мужа: 8 главных советов

Разрешить семейный кризис можно — главное, предпринять правильные шаги

Psychologies
Вера Васильева: «Нужно быть готовым к любым поворотам судьбы и любить жизнь» Вера Васильева: «Нужно быть готовым к любым поворотам судьбы и любить жизнь»

Актриса Вера Васильева о детстве, театре и заботе

Коллекция. Караван историй
Интервью с гендиректором ивент-агентства ERA Натальей Зворыгиной Интервью с гендиректором ивент-агентства ERA Натальей Зворыгиной

Наталья Зворыгина — о том, что такое «хороший ивент» сегодня

СНОБ
Закрытый клуб любителей оливье: как на самом деле живут русские экспаты в Дубае Закрытый клуб любителей оливье: как на самом деле живут русские экспаты в Дубае

Как живут россияне в ОАЭ и почему после переезда они полюбили русские традиции

Forbes
Крымов, Диденко и Gogol School: какие культурные проекты создают русские эмигранты Крымов, Диденко и Gogol School: какие культурные проекты создают русские эмигранты

Чем русские театральные деятели занимаются за границей

Forbes
Будущие Атлантиды: 7 городов по всему миру, которые уходят под воду Будущие Атлантиды: 7 городов по всему миру, которые уходят под воду

Некоторые города могут полностью затонуть уже к началу следующего десятилетия

ТехИнсайдер
«Может шить, готовить, говорить»: о чем писали поэтессы второй половины ХХ века «Может шить, готовить, говорить»: о чем писали поэтессы второй половины ХХ века

На протяжении долгого времени голоса женщин в литературе были почти не слышны

Forbes
Доверительные отношения: как научить ребенка рассказывать о проблемах — 3 главных принципа воспитания Доверительные отношения: как научить ребенка рассказывать о проблемах — 3 главных принципа воспитания

Как приучить детей говорить о переживаниях, чувствах и проблемах?

Psychologies
«Джеймс Уэбб» показал, как галактики меняли раннюю Вселенную «Джеймс Уэбб» показал, как галактики меняли раннюю Вселенную

Как развивалась ранняя Вселенная?

ТехИнсайдер
MIA BOYKA MIA BOYKA

MIA BOYKA научилась выигрывать в борьбе за внимание

Собака.ru
Терапия бережностью: какая помощь нужна при психологической травме Терапия бережностью: какая помощь нужна при психологической травме

Не все люди достаточно бережны к тем, кто пережил психологическую травму

Psychologies
Как правильно и легко худеть в жару: простые лайфхаки от диетолога Как правильно и легко худеть в жару: простые лайфхаки от диетолога

Как без проблем потерять лишний вес даже в разгар знойного лета?

VOICE
Открыть в приложении