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

Детский плач в возрасте пяти месяцев связали с наследственностью Детский плач в возрасте пяти месяцев связали с наследственностью

Генетические факторы отвечают за 70 процентов плача

N+1
Влад и Анна Прахты Влад и Анна Прахты

Влад и Анна Прахты заставили всю страну принять искусственную кожу как родную

Собака.ru
Снижение конденсационных следов от самолетов назвали важной климатической мерой Снижение конденсационных следов от самолетов назвали важной климатической мерой

Чтобы снизить влияние авиации на климат, лучше сосредоточиться на следах

N+1
Почему люди с темной кожей должны использовать крем для загара? Интересный факт Почему люди с темной кожей должны использовать крем для загара? Интересный факт

Нужно ли темнокожим людям защищать свою кожу от солнца?

ТехИнсайдер
10 вещей, которые нужно успеть сделать для пожилых родителей 10 вещей, которые нужно успеть сделать для пожилых родителей

Список бесценных вещей, которые вы можете сделать для ваших родителей

Maxim
«Это же подросток»: почему нельзя запрещать гаджеты детям в период пубертата «Это же подросток»: почему нельзя запрещать гаджеты детям в период пубертата

Отрывок из книги «Это же подросток!» — как жить и общаться с взрослеющими детьми

Forbes
«Производственная цепочка в кластере будет крепкой и гибкой» «Производственная цепочка в кластере будет крепкой и гибкой»

О перспективах химического кластера в Московской области

РБК
Кому нужны памятники природы?.. Кому нужны памятники природы?..

Что представляет собой памятник природы по сути?

Наука и жизнь
«Стоп-слово»: фильм о том, как через БДСМ-практики мужчина и женщина меняются ролями «Стоп-слово»: фильм о том, как через БДСМ-практики мужчина и женщина меняются ролями

Как авторы «Стоп-слова» связывают БДСМ-практику и гендерный дискурс

Forbes
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
10 самых провальных российских фильмов этого века. Часть II 10 самых провальных российских фильмов этого века. Часть II

Про половину из этих провальных кинолент вы даже не слышали

Maxim
Утро начинается не только с кофе: 7 напитков, которые зарядят вас энергией на весь день Утро начинается не только с кофе: 7 напитков, которые зарядят вас энергией на весь день

Наскучил кофе? Попробуйте заменить его этими напитками

ТехИнсайдер
Эдвард Мордейк — человек с двумя лицами. Существовал ли он на самом деле? Эдвард Мордейк — человек с двумя лицами. Существовал ли он на самом деле?

Есть в биографии Эдварда Мордейка некоторые поразительные несостыковки

ТехИнсайдер
«У компаний растет потребность в юаневых инструментах» «У компаний растет потребность в юаневых инструментах»

О том, как компания Газпромбанк опережает рынок и конкурентов

Деньги
Совестливые люди на высоких постах с меньшей вероятностью берут взятки. Верите? Совестливые люди на высоких постах с меньшей вероятностью берут взятки. Верите?

Чувство вины может иметь преимущества для общества в целом

ТехИнсайдер
Почему мы так любим кино про недалекое прошлое: 4 причины Почему мы так любим кино про недалекое прошлое: 4 причины

Что стоит за любовью россиян к фильмам про прошлое?

Psychologies
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
Дубайская земля Дубайская земля

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

Robb Report
Что читать летом: современная притча о любви и утрате «Чистый цвет» Шилы Хети Что читать летом: современная притча о любви и утрате «Чистый цвет» Шилы Хети

Начало книги «Чистый цвет», где Шила Хети включает нас в мифологию

Правила жизни
Казаки летом — модно или странно? Разбираемся раз и навсегда Казаки летом — модно или странно? Разбираемся раз и навсегда

Казаки летом: как же быть с этой фэшн-дилеммой?

VOICE
Хозяин своей жизни: 8 аргументов в пользу одиночества Хозяин своей жизни: 8 аргументов в пользу одиночества

Даже в природе не все особи создают пару. И это тоже вариант нормы

Psychologies
Реальная любовь Реальная любовь

Пара — это когда два человека соединяются в одно целое

Seasons of life
Кристальное равновесие Кристальное равновесие

Баланс старого и нового в доме получился идеальным, как кристаллическая решётка

Идеи Вашего Дома
Кредитные риски не отпускают Кредитные риски не отпускают

Международные инвесторы переводят средства на рынки развивающихся стран

Деньги
Покидая Галактику: откуда летят самые быстрые звезды Млечного Пути Покидая Галактику: откуда летят самые быстрые звезды Млечного Пути

Астрономы обнаружили жертвы грандиозных космических взрывов

Forbes
Химпром запускает реакцию восстановления Химпром запускает реакцию восстановления

От чего зависят развитие и технологический суверенитет российского химпрома

РБК
Десять штрафов ГИБДД, на которые может попасть каждый. Список и наказание Десять штрафов ГИБДД, на которые может попасть каждый. Список и наказание

Редкие штрафах ГИБДД, о которых могли не слышать даже опытные водители

РБК
«Не убийца, а всего лишь код, созданный и управляемый человеком»: сооснователь фонда Andreessen Horowitz о рисках ИИ «Не убийца, а всего лишь код, созданный и управляемый человеком»: сооснователь фонда Andreessen Horowitz о рисках ИИ

Страхи, связанные с ИИ, лишь сеют панику и тормозят развитие сектора

VC.RU
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
Диета «Форсаж» Диета «Форсаж»

Минус 5 кг за 2 недели – оцени результат!

Лиза
Открыть в приложении