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

Камбоджийские рыбаки поймали шесть вымирающих гигантских сомов меньше чем за неделю Камбоджийские рыбаки поймали шесть вымирающих гигантских сомов меньше чем за неделю

Рыбаки из Камбоджи менее чем за неделю поймали шесть гигантских шильбовых сомов

N+1
Как 64-летняя американка заработала $350 млн на мармеладках с каннабисом Как 64-летняя американка заработала $350 млн на мармеладках с каннабисом

Как Нэнси Уайтман начала свое дело, почерпнув идею из разговоров на вечеринке

Forbes
Сразу две частные компании стартовали к Луне на одной ракете Сразу две частные компании стартовали к Луне на одной ракете

Две частные фирмы запустили аппараты на Луну в ракете SpaceX Falcon 9

ТехИнсайдер
Беларусь вводит химическую кастрацию для педофилов: насколько эффективно такое наказание Беларусь вводит химическую кастрацию для педофилов: насколько эффективно такое наказание

Как наказывают за насилие над детьми в разных странах

Psychologies
Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки

Удается ли вам спать достаточное количество часов?

Psychologies
Цветочный спецназ Цветочный спецназ

Разбить сад буквально за пару часов на пустом месте? Это возможно!

Лиза
Хмельной десерт. Как сочетать пиво и сладкое Хмельной десерт. Как сочетать пиво и сладкое

Гармонично подобранный десерт способен с неожиданной стороны раскрыть вкус пива

СНОБ
От города миллионеров к СберСити От города миллионеров к СберСити

Город от Сбера: акцент на экотехнологии и цифровизации

Эксперт
Эмоциональное выгорание Эмоциональное выгорание

Почему возникает эмоциональное выгорание и как с ним бороться?

Лиза
Найден Найден

Ученые обнаружили следы «протостериновой биоты»

ТехИнсайдер
Ищу хорошего психолога Ищу хорошего психолога

Найти хорошего психолога самостоятельно непросто

Лиза
Психологи объяснили, как найти своего соулмейта Психологи объяснили, как найти своего соулмейта

Кто такой соулмейт и как найти свою родственную душу?

Psychologies
Гонка без вооружений! Как СССР и США искали замену для шариковой ручки в космосе Гонка без вооружений! Как СССР и США искали замену для шариковой ручки в космосе

Как люди пытались создать шариковую ручку для космоса

ТехИнсайдер
Борьба с жестоким миром: почему от стресса хочется есть — ответ ученых Борьба с жестоким миром: почему от стресса хочется есть — ответ ученых

Почему наш мозг требует больше жирной и калорийной пищи, когда переживает стресс

Psychologies
Физик разобрался в стабильности нити стрингшутера Физик разобрался в стабильности нити стрингшутера

Физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере

N+1
Как положение языка во рту влияет на наше здоровье: странный фактор, о котором вы не знали Как положение языка во рту влияет на наше здоровье: странный фактор, о котором вы не знали

Как может правильное положение языка влиять на все наше тело?

ТехИнсайдер
Выжимаем соки из ПК: разгон видеокарты Выжимаем соки из ПК: разгон видеокарты

Как повысить производительность компьютерного железа?

CHIP
Что можно есть ночью, если ты не можешь уснуть и умираешь с голоду: большой список от диетологов Что можно есть ночью, если ты не можешь уснуть и умираешь с голоду: большой список от диетологов

Держи список блюд и продуктов, которыми можно перекусить посреди ночи

VOICE
Вкусный сезон. 8 самых полезных ягод: каждая по-своему неповторима и полезна Вкусный сезон. 8 самых полезных ягод: каждая по-своему неповторима и полезна

Ягоды – один из самых полезных продуктов в мире.

Лиза
5 фэнтезийных циклов с экзотическими мирами 5 фэнтезийных циклов с экзотическими мирами

Ближний Восток, Азия, доколониальная Америка и Африка в сеттинге фэнтези

Maxim
«Мозг слушает» «Мозг слушает»

Как создается осмысленный звуковой мир

N+1
Дубайская земля Дубайская земля

Сложно представить, но лет сорок назад Дубай был сонной рыбацкой деревушкой

Robb Report
Как превратить дело жизни в успешный бизнес: интервью с владельцем отеля «Гельвеция» Юнисом Теймурханлы Как превратить дело жизни в успешный бизнес: интервью с владельцем отеля «Гельвеция» Юнисом Теймурханлы

Юнис Теймурханлы — как за годы изменился Санкт-Петербург и отель “Гельвеция”

Правила жизни
Туманные горизонты Туманные горизонты

Компаниям придется продолжить адаптацию к радикально изменившимся условиям

РБК
Самая вкусная летняя ягода: все, что вы должны знать о черешне Самая вкусная летняя ягода: все, что вы должны знать о черешне

Какую пользу для здоровья несет всего одна горсть черешни в день

ТехИнсайдер
Ученые выяснили эволюционное значение мастурбации Ученые выяснили эволюционное значение мастурбации

Мастурбация повышает репродуктивный успех у самцов приматов

ТехИнсайдер
Синие пенисы и пульсирующие вульвы: что такое эпидидимальная гипертензия и чем она опасна Синие пенисы и пульсирующие вульвы: что такое эпидидимальная гипертензия и чем она опасна

Как эпидидимальная гипертензия влияет на сексуальное поведение

Psychologies
Нейрохимия компульсивности оказалась схожа у здоровых людей и пациентов с ОКР Нейрохимия компульсивности оказалась схожа у здоровых людей и пациентов с ОКР

Компульсивность представляет собой трансдиагностическую психиатрическую черту

N+1
Трупная ткань может стать «эликсиром молодости» для кожи! Попробуете? Трупная ткань может стать «эликсиром молодости» для кожи! Попробуете?

Трупные клетки помогут вашей коже омолодиться

ТехИнсайдер
Астрономы нашли причину старого гамма-всплеска — это «крик» умирающей звезды Астрономы нашли причину старого гамма-всплеска — это «крик» умирающей звезды

Мощный гамма-всплеск в октябре 2019 года был вызван взрывом массивной сверхновой

ТехИнсайдер
Открыть в приложении