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

Буддийские и даосские храмы Китая оказались убежищами для вековых деревьев Буддийские и даосские храмы Китая оказались убежищами для вековых деревьев

На территории буддийских и даосских храмов Китая сохранились вековые деревья

N+1
С первыми лучами солнца: что может произойти с завтраком в отеле С первыми лучами солнца: что может произойти с завтраком в отеле

История таинственного исчезновения завтрака в отеле

Правила жизни
Что случилось с пауками, отправленными в космос в 1973 году — и как это помогло науке Что случилось с пауками, отправленными в космос в 1973 году — и как это помогло науке

Пауки все еще плетут паутину в условиях микрогравитации?

Inc.
BMW X3 и Genesis GV70 разбили на краш-тестах: на чем безопасно ездить BMW X3 и Genesis GV70 разбили на краш-тестах: на чем безопасно ездить

BMW X3 и Mercedes GLC стали самыми безопасными моделями на краш-тестах

РБК
Психология влияния Психология влияния

Как не стать жертвой мастера влияния и убеждения

kiozk originals
«Наш мозг защищен от расшифровки мыслей»: почему не нужно бояться нейрочипов «Наш мозг защищен от расшифровки мыслей»: почему не нужно бояться нейрочипов

Почему нейроимпланты не превратят нас в армию киборгов

Forbes
Пять российских водок с выдающимся вкусом Пять российских водок с выдающимся вкусом

Необычная водка хороша собственными вкусовыми оттенками

Maxim
Из бункера к звездам Из бункера к звездам

«Укрытие»: детектив, вестерн и тоталитарная антиутопия в одном сериале

Weekend
Назинская трагедия — одно из самых страшных событий советской истории Назинская трагедия — одно из самых страшных событий советской истории

Для 4000 человек остров Назино стал не только местом ссылки, но и местом гибели

ТехИнсайдер
«Это слишком сложно»: 50 оправданий людей, которые не хотят меняться, — проверьте себя «Это слишком сложно»: 50 оправданий людей, которые не хотят меняться, — проверьте себя

Почему на предложение изменить мир, начав с себя, мы отвечаем «да, но…»?

Psychologies
Даже с маленьким мозгом можно жить. Ученые выяснили интересные факты о Homo naledi Даже с маленьким мозгом можно жить. Ученые выяснили интересные факты о Homo naledi

Мозг у Homo naledi был примерно в три раза меньше, чем у современного человека

ТехИнсайдер
«Американец китайского происхождения»: звезды «Все везде и сразу» в фэнтези от Disney «Американец китайского происхождения»: звезды «Все везде и сразу» в фэнтези от Disney

«Американец китайского происхождения» — добротный сериал для разных возрастов

Forbes
Инъекция генов в печень бабуина позволила вылечить гемофилию Инъекция генов в печень бабуина позволила вылечить гемофилию

Результаты исследования показывают, что данный метод лечения гемофилии безопасен

ТехИнсайдер
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
От герцогов до новаторов: как обувщики Doucal’s отмечают полувековой юбилей От герцогов до новаторов: как обувщики Doucal’s отмечают полувековой юбилей

Креативный директор бренда Doucal’s — о связи «умных очков» и производстве обуви

Forbes
Александр Семенов, Даниил Веретенников & Гавриил Малышев Александр Семенов, Даниил Веретенников & Гавриил Малышев

Рупоры капрома готовят книгу о постсоветском наследии России

Собака.ru
Страшно? Не бойтесь! Как наш мозг обманывает тело Страшно? Не бойтесь! Как наш мозг обманывает тело

Почему мы боимся смерти?

Psychologies
На северо-западе Франции нашли три клада эпохи бронзы На северо-западе Франции нашли три клада эпохи бронзы

Во французской Бретани обнаружили три древних клада

N+1
Австралийские палеонтологи описали самого крупного сцинка Австралийские палеонтологи описали самого крупного сцинка

Ящерица из плейстоценовой Австралии дорастала до 60 сантиметров в длину

N+1
Дом Радио Дом Радио

Творческая резиденция оркестра Musicaeterna под управлением Теодора Курентзиса

Собака.ru
«Перчинка» и даже Трамп: этих звезд ты точно не заметила в «Сексе в большом городе» «Перчинка» и даже Трамп: этих звезд ты точно не заметила в «Сексе в большом городе»

В оригинальном «Сексе в большом городе» засветились многие звезды

VOICE
23-летний россиянин съеден акулой. Почему нас ужасают такие события? 23-летний россиянин съеден акулой. Почему нас ужасают такие события?

Почему психика ярко реагирует на драматичные истории гибели людей?

Psychologies
«Абайя — это статус»: есть ли у женщин в Дубае права свободы «Абайя — это статус»: есть ли у женщин в Дубае права свободы

Сотрудница Human Rights Watch — о насилии по отношению к женщинам в ОАЭ

Forbes
Что происходит в отечественном геймдеве Что происходит в отечественном геймдеве

Как на геймдев-индустрию повлияли санкции и где корпорации ищут новые таланты

СНОБ
Как пробурить сверхглубокую шахту с помощью плазмы: геотермальная энергия на службе человечеству Как пробурить сверхглубокую шахту с помощью плазмы: геотермальная энергия на службе человечеству

Новые технологии, которые могут открыть доступ к геотермальной энергии везде

ТехИнсайдер
Тихие американцы Тихие американцы

Что ждет коренных американцев в будущем?

Вокруг света
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
Нужно ли мыть домашнюю кошку? Лайфхаки для кошатников! Нужно ли мыть домашнюю кошку? Лайфхаки для кошатников!

Как поддерживать гигиену домашней кошки? Нужно ли купать питомца?

ТехИнсайдер
Как отпустить детские травмы и начать решать взрослые проблемы Как отпустить детские травмы и начать решать взрослые проблемы

Как справиться с детскими травмами?

Psychologies
10 правил женщины, которая провела на свиданиях 10 000 часов: возьми их на заметку! 10 правил женщины, которая провела на свиданиях 10 000 часов: возьми их на заметку!

Как найти своего мужчину? Отвечает эксперт по свиданиям!

VOICE
Открыть в приложении