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

«Ночные кошмары: Нарушения сна и как мы с ними живем наяву» «Ночные кошмары: Нарушения сна и как мы с ними живем наяву»

Что науке известно о галлюцинациях, связанных со сном

N+1
Андрей Князев Андрей Князев

Эпичный камбэк «Короля и Шута» вызван сериалом-байопиком по творчеству «КИШа»

Собака.ru
На шаг ближе к колонизации: как искусственный интеллект помогает NASA изучать Марс На шаг ближе к колонизации: как искусственный интеллект помогает NASA изучать Марс

О том, как ИИ помогает исследовать Марс, и приведет ли он нас к прорыву

ТехИнсайдер
Мелирование: подбор цвета, противопоказания и советы экспертов Мелирование: подбор цвета, противопоказания и советы экспертов

Какие техники относятся к мелированию и как выбрать подходящую?

РБК
Как говорить, чтобы дети слушали Как говорить, чтобы дети слушали

Как научиться вести диалог с ребенком

kiozk originals
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
6 способов убежать от жары 6 способов убежать от жары

Лето в городе: духота, пыль и плюс 30 в тени… как же сделать жизнь прохладнее?

Здоровье
Зачем Истомина стала Смоловой: о смене фамилии при замужестве — комментарий психолога Зачем Истомина стала Смоловой: о смене фамилии при замужестве — комментарий психолога

Зачем люди меняют фамилию в браке?

Psychologies
10 оттенков страшного 10 оттенков страшного

Чем пугает современный хоррор

Weekend
Мужчина и женщина: как понять друг друга — советы сексолога Мужчина и женщина: как понять друг друга — советы сексолога

Почему мужчины и женщины порой не слышат друг друга?

Psychologies
Нейросеть написала книгу вместе с авторами: Адрей Глебов о том, какого творить вместе с ИИ Нейросеть написала книгу вместе с авторами: Адрей Глебов о том, какого творить вместе с ИИ

Андрей Глебов поделился своими мыслями о роли нейросетей в будущем литературы

ТехИнсайдер
Вырубка лесов на японском острове испортила зубы местным макакам Вырубка лесов на японском острове испортила зубы местным макакам

Сильный стресс вызвал у макак недоразвитие эмали

N+1
Сдачи не надо Сдачи не надо

Когда россияне готовы оставлять чаевые

Деньги
Аквапорины астроцитов оказались ответственными за отек мозга после инсульта Аквапорины астроцитов оказались ответственными за отек мозга после инсульта

Острая ишемия вызвала рост внутриклеточной концентрации кальция

N+1
Медоносные пчелы плохо справились с опылением американских растений Медоносные пчелы плохо справились с опылением американских растений

Медоносные пчелы в Калифорнии оказались не слишком эффективными опылителями

N+1
Ядерный путь самурая Ядерный путь самурая

«Те дни»: история аварии на «Фукусиме»

Weekend
Как поставить таймер на выключение компьютера: несколько проверенных способов Как поставить таймер на выключение компьютера: несколько проверенных способов

Как сделать таймер на выключение компьютера сразу несколькими способами

CHIP
Улыбайся смелее Улыбайся смелее

Почему желтеют зубы и как вернуть белоснежную улыбку?

Лиза
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
В сердечном ритме В сердечном ритме

Почему у современного ритма жизни есть «сердечное» сопровождение?

Лиза
Нина Усатова Нина Усатова

Нина Николаевна выдает мощнейший перформанс про «простую русскую женщину»

Собака.ru
«Магический реализм» Оуэна Уилсона «Магический реализм» Оуэна Уилсона

У Оуэна Уилсона много странностей и описать его сложно

Караван историй
Время Змееносца. Летнее небо Время Змееносца. Летнее небо

Змееносец — крупное экваториальное созвездие, пересекающее эклиптику

Наука и жизнь
LBX. Самый маленький Lexus LBX. Самый маленький Lexus

Новый кроссовер Lexus LBX станет самой маленькой моделью бренда

4x4 Club
Вениамин Грабар Вениамин Грабар

Компания Ladoga — одно из градообразующих предприятий Петербурга

Собака.ru
Актриса Дарья Калмыкова о театре, музыке и главном городе своей жизни Актриса Дарья Калмыкова о театре, музыке и главном городе своей жизни

Актриса Дарья Калмыкова ответила на несколько вопросов

СНОБ
EX30 – самая маленькая и быстрая модель в истории Volvo EX30 – самая маленькая и быстрая модель в истории Volvo

Новый мини-электрический кроссовер Volvo развивает мощность до 422 л. с.

4x4 Club
Земледелие в Северо-Западную Африку принесли мигранты с Пиренейского полуострова Земледелие в Северо-Западную Африку принесли мигранты с Пиренейского полуострова

Палеогенетики прочитали ДНК девяти человек, живших в позднем эпипалеолите

N+1
Предпоследний друг: как Берлускони пытался строить особые отношения с Россией Предпоследний друг: как Берлускони пытался строить особые отношения с Россией

Как европейские политики пытались интегрировать Россию и Запад

Forbes
«Принес на первое свидание 5 кг красной рыбы» «Принес на первое свидание 5 кг красной рыбы»

Истории людей, которые нашли cвою любовь в Сети

Лиза
Открыть в приложении