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

Плюшеголовые сойки не сумели воспользоваться инструментом Плюшеголовые сойки не сумели воспользоваться инструментом

Плюшеголовые разноцветные сойки не могут решить задачу с инструментами

N+1
Многообещающие голливудские актрисы 1990-х, о которых все забыли – где они теперь? Многообещающие голливудские актрисы 1990-х, о которых все забыли – где они теперь?

Прошло пару десятков лет, и эти имена почти забыты

VOICE
Почему уличные фонари в основном излучают желтый и оранжевый свет? Почему уличные фонари в основном излучают желтый и оранжевый свет?

Почему цвет фонарей на улицах не меняют уже столько лет?

ТехИнсайдер
В неандертальцах разглядели мукомолов В неандертальцах разглядели мукомолов

Остатки перетертых зерен нашли на каменных орудиях из Италии

N+1
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Море зовет: 10 организаций, занимающихся защитой океанов Море зовет: 10 организаций, занимающихся защитой океанов

Рассказываем о тех, кто спасает побережья от загрязнения и бережет морскую фауну

Правила жизни
В сарматских погребениях могильника Вонючка-1 нашли всадника и двух женщин с зубными аномалиями В сарматских погребениях могильника Вонючка-1 нашли всадника и двух женщин с зубными аномалиями

Наталия Березина исследовала останки трех человек раннесарматского времени

N+1
Не повод для знакомства: радости и горести секса без обязательств Не повод для знакомства: радости и горести секса без обязательств

Наша колумнистка Марта Кетро рассказывает об особенностях "только секса"

VOICE
Какую пластику можно и нужно делать летом: твоя подсказка от хирурга Какую пластику можно и нужно делать летом: твоя подсказка от хирурга

Какие из пластических преображений показано делать в теплое время года?

VOICE
Без вины виноватый: защищаемся от субсидиарной ответственности Без вины виноватый: защищаемся от субсидиарной ответственности

Что такое субсидиарная ответственность и как от нее защититься

Inc.
Словарь нового веба Словарь нового веба

Как сегодня говорят про нейросети, мемы и жизнь в интернете

N+1
Самый знаменитый американский пикап. Краткая история Chevrolet Silverado Самый знаменитый американский пикап. Краткая история Chevrolet Silverado

Что сделало грузовик Chevrolet Silverado такими востребованным?

4x4 Club
Потепление превратит снегопады в горах Северного полушария в проливные дожди Потепление превратит снегопады в горах Северного полушария в проливные дожди

Районы на высоте более 3000 метров станут уязвимы для экстремальных осадков

N+1
Как не допустить эпидемии неизлечимой кори Как не допустить эпидемии неизлечимой кори

В России разработан ПЦР-тест мирового уровня на корь

Эксперт
«Базовая задача — регулирование трансграничного рынка» «Базовая задача — регулирование трансграничного рынка»

Каких мер ожидают от государства производители биологически активных добавок

РБК
Сказка на хуторе Сказка на хуторе

На месте бывшей свалки Сергей Кушнаренко создал уникальный ландшафтный парк

Отдых в России
За мороженым За мороженым

Лето, солнце и пломбир в стаканчике делают нашу жизнь еще прекраснее!

Лиза
Пятое поколение. Land Rover Discovery и Ford Explorer на вторичном рынке Пятое поколение. Land Rover Discovery и Ford Explorer на вторичном рынке

Land Rover Discovery и Ford Explorer — какой из автомобилей предпочтительней?

4x4 Club
Ледниковые прерии Ледниковые прерии

Что погубило тундростепь и мамонтовую фауну?

Вокруг света
«Была подвержена влиянию молодого человека из США»: почему Юлия Паршута ушла из группы «Инь-Ян» «Была подвержена влиянию молодого человека из США»: почему Юлия Паршута ушла из группы «Инь-Ян»

Юлия Паршута захотела изменить свою жизнь из-за бойфренда, живущего за границей

VOICE
Модный ресейл: как заработать на перепродаже одежды и аксессуаров Модный ресейл: как заработать на перепродаже одежды и аксессуаров

Можно ли в мире быстрой моды заработать на перепродаже вещей?

РБК
Самые большие предметы в мире, которые создали в СССР Самые большие предметы в мире, которые создали в СССР

Настоящие поводы для гордости в СССР

Maxim
Горячая йога: полезна ли она для здоровья, и что говорит наука Горячая йога: полезна ли она для здоровья, и что говорит наука

Почему бикрам-йога в последние годы приобрела значительную популярность

ТехИнсайдер
«После «Карнавальной ночи» я поехала за границу, а Гурченко не взяли», — рассказывала Тамара Носова «После «Карнавальной ночи» я поехала за границу, а Гурченко не взяли», — рассказывала Тамара Носова

От всесоюзной популярности и королевской роскоши — до полной нищеты и забвения

Караван историй
Клубника и не только: топ-5 самых полезных ягод Клубника и не только: топ-5 самых полезных ягод

Мир ягод богат и многообразен, они могут удивить своими свойствами

Psychologies
Растет популярность гастротуров Растет популярность гастротуров

Знакомство с кулинарными традициями дополняет многие туристические программы

РБК
Найден Найден

Ученые обнаружили следы «протостериновой биоты»

ТехИнсайдер
Каждые два ребенка из ста — аутисты Каждые два ребенка из ста — аутисты

Научные исследования о природе возникновения и возможностях лечения аутизма

Наука
Новый робот умеет летать, ездить, ходить и даже больше Новый робот умеет летать, ездить, ходить и даже больше

Робот с таким широким набором возможностей нашел бы широкое применение

ТехИнсайдер
Подкаст журналиста помог подтвердить вину убийцы! Но спустя 27 лет после преступления Подкаст журналиста помог подтвердить вину убийцы! Но спустя 27 лет после преступления

Пол Флорес убил одногруппницу и пробыл на свободе почти три десятилетия

ТехИнсайдер
Открыть в приложении