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 древних британских кельтов выявили матрилокальность У древних британских кельтов выявили матрилокальность

Ученые выяснили, что для кельтов железного века была характерна матрилокальность

N+1
«Год порно»: литературные откровения миллениала-провинциала «Год порно»: литературные откровения миллениала-провинциала

Критики называют Илью Мамаева-Найлз «российской Салли Руни»

Psychologies
Исследование: в мозге человека нанопластика хватит на целую пластиковую ложку! Исследование: в мозге человека нанопластика хватит на целую пластиковую ложку!

Какие последствия может иметь для здоровья наличие в мозге нанопластика?

ТехИнсайдер
«Кто я на самом деле?»: как познать себя и обрести целостность — советы психологов «Кто я на самом деле?»: как познать себя и обрести целостность — советы психологов

Как добраться до своего истинного «Я»?

Psychologies
Больше президенток и законов о насилии: 10 важных достижений феминисток в XXI веке Больше президенток и законов о насилии: 10 важных достижений феминисток в XXI веке

Главные достижения феминисток за последние 25 лет

Forbes
Алексей Нужный. Как научить смеяться Алексей Нужный. Как научить смеяться

История-признание о юморе, сложностях съемок сериалов и роли Бога в творчестве

Maxim
Ешь и худей: какие продукты могут ускорить метаболизм? Ешь и худей: какие продукты могут ускорить метаболизм?

Как ускорить обмен веществ, не ночуя в тренажерном зале?

ТехИнсайдер
Виктор Мазин Виктор Мазин

Звезда научного андеграунда Виктор Мазин возвращает в моду интеллект

Собака.ru
Вечный капитал на добрые дела: как его создать и зачем это нужно Вечный капитал на добрые дела: как его создать и зачем это нужно

Как обеспечить выбранную организацию или проект поддержкой на долгие годы?

Inc.
История Дэвида Реймера, которого насильно превратили в девочку: гендерный эксперимент Джона Мани История Дэвида Реймера, которого насильно превратили в девочку: гендерный эксперимент Джона Мани

Как пустяковая операция обернулась катастрофой для семьи Реймер

ТехИнсайдер
Самые неожиданные способы заразиться венерическими болезнями Самые неожиданные способы заразиться венерическими болезнями

Гонореей, сифилисом, хламидиозом можно заразиться бытовым путем

Maxim
Золотое сечение Золотое сечение

5 советов от дизайнера, как улучшить интерьер с помощью формулы гармонии

Лиза
Более половины россиян хотели бы зарабатывать так же, как блогеры Более половины россиян хотели бы зарабатывать так же, как блогеры

60% россиян хотели бы иметь такой же доход, как и крупные блогеры

Forbes
Такая красивая и одна? Почему Ирина Шейк не замужем - отвечает нумеролог Такая красивая и одна? Почему Ирина Шейк не замужем - отвечает нумеролог

Почему у Ирины Шейк не ладится личная жизнь? Спросили у нумеролога

VOICE
Что упало, не пропало Что упало, не пропало

Метеоритные кратеры на Земле

Наука и жизнь
Неприхотливый многолетник Неприхотливый многолетник

Перспективы выращивания мискантуса на российских полях

Агроинвестор
Этот гигантский Mercedes-Benz совмещал функции автобуса и почтового отделения Этот гигантский Mercedes-Benz совмещал функции автобуса и почтового отделения

Трёхосный автобус O 10000 — изюминка музея Mercedes-Benz

4x4 Club
Уйти чтобы вырасти: что значит стать «настоящим» взрослым Уйти чтобы вырасти: что значит стать «настоящим» взрослым

Отрывок из книги «Уйти чтобы вырасти. Сепарация как способ жить свою жизнь».

Forbes
Маршрут построен Маршрут построен

5 идей на уик-энд в Ивановской области

Лиза
Оркестр играл музыку до самого конца, а мужчины переодевались в женские платья: 10 шокирующих фактов о Оркестр играл музыку до самого конца, а мужчины переодевались в женские платья: 10 шокирующих фактов о

Правдивые, малоизвестные факты о "Титанике" и людях, оказавшихся на борту

ТехИнсайдер
Как она хочет: 5 лучших нон-фикшн книг, которые помогут лучше понимать свою женщину Как она хочет: 5 лучших нон-фикшн книг, которые помогут лучше понимать свою женщину

Как достичь понимания со своей женщиной? Подскажут эти книги

Maxim
Новая сцена Александринского театра Новая сцена Александринского театра

Команда Александринки сделала новую сцену прогрессивным междисцплинарным центром

Собака.ru
История с цветом История с цветом

Интерьер этого дома — профессиональный микс разных стилей

Идеи Вашего Дома
Современные популяции бурых медведей разделились около 150-100 тысяч лет назад Современные популяции бурых медведей разделились около 150-100 тысяч лет назад

Генетики исследовали ДНК 39 современных и 12 древних бурых медведей

N+1
Инвесторы ставят на дивиденды Инвесторы ставят на дивиденды

Дивидендная доходность эмитентов России остается одной из самых высоких в мире

Деньги
«Вот и все. Смежили очи гении...» Василий Качалов «Вот и все. Смежили очи гении...» Василий Качалов

Беспрецедентный пример славы, почитания и поклонения перед талантом

Караван историй
Wi-Fi-радар: как нас выслеживают, чтобы замучить рекламой Wi-Fi-радар: как нас выслеживают, чтобы замучить рекламой

На вас сыплется интернет-реклама, стоит вам только зайти в магазин?

CHIP
Цветы как терапия Цветы как терапия

7 причин сделать флористику своим хобби

Лиза
Что такое «дофаминовая перезагрузка» и почему она так нужна нам сегодня Что такое «дофаминовая перезагрузка» и почему она так нужна нам сегодня

Что такое дофаминовая система, как она связана с получением удовольствия

Psychologies
Денис Прытков Денис Прытков

Главный кинодебютант года влюбил всю страну в обаятельного интерна-реаниматолога

Собака.ru
Открыть в приложении