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

У бонобо нашли вокальные диалекты У бонобо нашли вокальные диалекты

Ученые сравнили вокализации бонобо из трех разных зоопарков

N+1
Даже с маленьким мозгом можно жить. Ученые выяснили интересные факты о Homo naledi Даже с маленьким мозгом можно жить. Ученые выяснили интересные факты о Homo naledi

Мозг у Homo naledi был примерно в три раза меньше, чем у современного человека

ТехИнсайдер
Бугорки на броне древних рыб превратились в наши зубы всего за 460 миллионов лет Бугорки на броне древних рыб превратились в наши зубы всего за 460 миллионов лет

Как появились наши чувствительные зубы изначально из «бронежилета» вымерших рыб

ТехИнсайдер
Лучшие сериалы про маньяков. Часть 4 Лучшие сериалы про маньяков. Часть 4

12 сериалов для любителей безопасно пощекотать себе нервы

Maxim
Ешь, двигайся, спи Ешь, двигайся, спи

Как повседневные решения влияют на здоровье и долголетие

kiozk originals
Дело Кобе живет: как вдова баскетболиста увеличивает капитал семьи после трагедии Дело Кобе живет: как вдова баскетболиста увеличивает капитал семьи после трагедии

Как после трагедии Кобе Брайанта его вдова взяла все в свои руки

Forbes
Ученые воссоздают в 3D города, исчезнувшие с лица Земли Ученые воссоздают в 3D города, исчезнувшие с лица Земли

Исследователи воссоздали 3D-модели районов, которых больше не существует

ТехИнсайдер
Откуда взялся Indian Pale Ale (IPA) и чем отличаются его сорта между собой. История и краткий гид Откуда взялся Indian Pale Ale (IPA) и чем отличаются его сорта между собой. История и краткий гид

Пора разобраться со путаницей Indian Pale Ale: с ее истоками и последствиями.

Maxim
Правила жизни Арама Хачатуряна Правила жизни Арама Хачатуряна

Правила жизни советского композитора, дирижера и педагога Арама Хачатуряна

Правила жизни
Икота Икота

Даже физиологи не до конца понимают, почему мозг «клинит» на дыхании

Здоровье
«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
Что находится внутри черной дыры: есть ли у физиков ответ? Что находится внутри черной дыры: есть ли у физиков ответ?

Что такое черная дыра и может ли что-то находиться внутри неё?

ТехИнсайдер
Ученья идут: какие технологии и почему закрепились в сфере образования Ученья идут: какие технологии и почему закрепились в сфере образования

Как нейросети изменяют сферу образования?

Forbes

Грузовые суда оснастят высокотехнологичными парусами

ТехИнсайдер
Почему не стоит спать с включенным вентилятором: 4 последствия, которые могут коснуться каждого Почему не стоит спать с включенным вентилятором: 4 последствия, которые могут коснуться каждого

Почему стоит подумать, прежде чем оставлять вентилятор включенным на всю ночь

ТехИнсайдер
Андрей Шапенко: «Счастливому руководителю проще вдохновить своих коллег» Андрей Шапенко: «Счастливому руководителю проще вдохновить своих коллег»

Зачем лидеру искать путь к счастью и транслировать ценности своим подчиненным?

РБК
Великая степь Великая степь

Великая степь была всегда, сколько себя помнит человечество

Вокруг света
Самые уязвимые: как стигма в обществе влияет на женщин с ментальными расстройствами Самые уязвимые: как стигма в обществе влияет на женщин с ментальными расстройствами

Как стигматизация повышает уязвимость женщин с ментальными расстройствами

Forbes
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
Трипликация генов рецепторов интерферона вызвала типичные для синдрома Дауна симптомы у мышей Трипликация генов рецепторов интерферона вызвала типичные для синдрома Дауна симптомы у мышей

Открытие, которое можно использовать для разработки лекарств от синдрома Дауна

N+1
Аспирин снизил риск развития опухоли печени у больных с неалкогольной жировой болезнью печени Аспирин снизил риск развития опухоли печени у больных с неалкогольной жировой болезнью печени

Ежедневный прием аспирина снижает риск развития гепатоцеллюлярной карциномы

N+1
«Я боялась вынашивать эмбрион»: жена Алека Болдуина рассказала, как у нее родились двое детей с разницей в полгода «Я боялась вынашивать эмбрион»: жена Алека Болдуина рассказала, как у нее родились двое детей с разницей в полгода

Хилария Болдуин рассказала, как в ее семье появился ребенок от суррогатной мамы

VOICE
Экономика будущего. Первый этап | The Economy of the Future. Stage One Экономика будущего. Первый этап | The Economy of the Future. Stage One

Видение Экономики будущего социального инвестора Алексея Рыжкова

Позитивные изменения
Art&Science ИТМО Art&Science ИТМО

Команда ИТМО — главные в Росси по Art&Science: науке, искусству и технологиям

Собака.ru
Саблезубый олень с копытами: 7 интересных фактов о редком животном Саблезубый олень с копытами: 7 интересных фактов о редком животном

Олень, которого природа наделила не рогами, а мощными клыками

ТехИнсайдер
Новая жизнь старых территорий. Кто и как превращает заброшенные фабрики и заводы в развивающиеся общественные пространства Новая жизнь старых территорий. Кто и как превращает заброшенные фабрики и заводы в развивающиеся общественные пространства

Некоторым из бывших заводов и фабрик посчастливилось получить вторую жизнь

СНОБ
Как детские травмы влияют на карьеру и успешность Как детские травмы влияют на карьеру и успешность

О взаимосвязи карьеры и психотравм раннего возраста рассказывает супервизор

Psychologies
«Левое полушарие мозга отвечает за логику, а правое — за творчество»: правда или миф? «Левое полушарие мозга отвечает за логику, а правое — за творчество»: правда или миф?

Как на самом деле работает наш мозг?

Psychologies
Антон Уткин — о том, как найти свое счастье, занимаясь чем-то эфемерным Антон Уткин — о том, как найти свое счастье, занимаясь чем-то эфемерным

Сценарист Антон Утки — почему порой горящие глаза гораздо важнее правил

РБК
Чтение выходного дня: фрагмент книги «Бархатная кибитка» Павла Пепперштейна Чтение выходного дня: фрагмент книги «Бархатная кибитка» Павла Пепперштейна

Отрывок из интеллектуально-биографического лабиринта «Бархатная кибитка»

Правила жизни
Открыть в приложении