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

Выцарапанное на Золотых воротах изображение назвали тамгой Андрея Боголюбского Выцарапанное на Золотых воротах изображение назвали тамгой Андрея Боголюбского

Что означает тамга, обнаруженная во Владимире на Золотых воротах

N+1
Новая сцена Александринского театра Новая сцена Александринского театра

Команда Александринки сделала новую сцену прогрессивным междисцплинарным центром

Собака.ru
Излучение квазара подавило звездообразование в галактике из ранней Вселенной Излучение квазара подавило звездообразование в галактике из ранней Вселенной

Молекулярный газ ранней Вселенной разрушается под действием излучения квазара

N+1
Анна Афанасьева Анна Афанасьева

Глава фонда «Точка опоры» уже 13 лет поддерживает спортсменов с инвалидностью

Собака.ru
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Под Суздалем нашли печать Юрия Долгорукого Под Суздалем нашли печать Юрия Долгорукого

Археологи рассказали о результатах раскопок на селище Спасское городище-7

N+1
Утро начинается не только с кофе: 7 напитков, которые зарядят вас энергией на весь день Утро начинается не только с кофе: 7 напитков, которые зарядят вас энергией на весь день

Наскучил кофе? Попробуйте заменить его этими напитками

ТехИнсайдер
Человек со свойствами и средствами Человек со свойствами и средствами

«Счастливчик Хэнк»: симпатичная кампусная драма

Weekend
Как выбрать солнцезащитные очки по типу лица: мастер-класс от стилиста Как выбрать солнцезащитные очки по типу лица: мастер-класс от стилиста

Нам всем срочно нужна хорошая пара очков — с этим поможет модный эксперт

VOICE
Нейробиологи нашли, где в мозге человека находится его телесное Нейробиологи нашли, где в мозге человека находится его телесное

Удалось впервые локализовать "самоощущение" человека

ТехИнсайдер
Фильмы с двумя главными злодеями Фильмы с двумя главными злодеями

7 картин, в которых главным героям пришлось бороться против двух антагонистов

Maxim
Почему монструозный стиль подвинул в сторону «чистых» девушек Почему монструозный стиль подвинул в сторону «чистых» девушек

Почему стиль «хорошей девочки» начал уступать «дерзкой девчонке»?

Psychologies
От постмодернистской насмешки до университетской программы: какой путь преодолел комикс в России? От постмодернистской насмешки до университетской программы: какой путь преодолел комикс в России?

Расскажем о становлении комикса в России вместе с историком Алексеем Павловским

Правила жизни
Великая пустота Великая пустота

Монголия – наименее населенная страна мира

Вокруг света
Работаем с подсознанием: 7 приемов, которые помогут избавиться от негативных мыслей Работаем с подсознанием: 7 приемов, которые помогут избавиться от негативных мыслей

Как помочь себе справиться с негативом и перестать зацикливаться на плохом?

ТехИнсайдер
Кому нужны памятники природы?.. Кому нужны памятники природы?..

Что представляет собой памятник природы по сути?

Наука и жизнь
Психологи объяснили, как найти своего соулмейта Психологи объяснили, как найти своего соулмейта

Кто такой соулмейт и как найти свою родственную душу?

Psychologies
Психология против эзотерики Психология против эзотерики

Как отличить научный подход от мистицизма и шарлатанства

Лиза
«Обращайтесь адресно»: как правильно просить, чтобы не получить отказ — 7 психологических хитростей «Обращайтесь адресно»: как правильно просить, чтобы не получить отказ — 7 психологических хитростей

Психолог делится лайфхаками, которые позволят гарантированно получить желаемое

Psychologies
Разумная конкуренция Разумная конкуренция

Насколько велики шансы у нейросетей, ИИ и роботов отнять работу у людей

РБК
Младенцы «лепечут» чаще, когда они окружены искусственными, а не природными объектами Младенцы «лепечут» чаще, когда они окружены искусственными, а не природными объектами

Искусственное окружение гораздо сильнее стимулирует речь детей, чем естественное

ТехИнсайдер
Арсений Попов Арсений Попов

Актер и главный импровизатор страны, Арсений Попов

Собака.ru
Чем занимаются люди в течение дня? В основном, собой Чем занимаются люди в течение дня? В основном, собой

Более трети всего своего времени человек уделяет себе самому

ТехИнсайдер
5 побочных эффектов быстрого похудения, о которых вам никто не говорит 5 побочных эффектов быстрого похудения, о которых вам никто не говорит

Быстрые диеты имеют несколько серьезных последствий для вашего здоровья

ТехИнсайдер
Оказалось, что осьминоги умеют «на ходу» редактировать собственный геном за рекордные сроки Оказалось, что осьминоги умеют «на ходу» редактировать собственный геном за рекордные сроки

Осьминоги нашли невероятный способ защитить тонкие части своей нервной системы

ТехИнсайдер
Три сочных русских мужских сериала, которые вы могли пропустить Три сочных русских мужских сериала, которые вы могли пропустить

Делимся случайно найденным и полюбившимся русскими сериалами

Maxim
Мир первый и второй. Продолжение Мир первый и второй. Продолжение

Катерина Мурашова продолжает размышлять на тему классового деления в мире

СНОБ
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
Потому что мы — банда! Зачем смотреть фильм «Девушки, живущие в сети» Потому что мы — банда! Зачем смотреть фильм «Девушки, живущие в сети»

Почему фильм «Девушки, живущие в сети» заслуживает самого пристального внимания

РБК
Узнайте об Узнайте об

Чтобы поддерживать свое здоровье, необходимо соблюдать много правил

ТехИнсайдер
Открыть в приложении