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

«Скелеты в шкафу: Как наша тайная жизнь управляет явной» «Скелеты в шкафу: Как наша тайная жизнь управляет явной»

В какой момент младенцы начинают хранить тайны лучше шимпанзе

N+1
Алексей Гориболь Алексей Гориболь

Имя этого пианиста очень тесно связано с музыкальной жизнью Петербурга

Собака.ru
Как люди! Обезьяны могут интуитивно «предугадывать мысли» людей Как люди! Обезьяны могут интуитивно «предугадывать мысли» людей

Способны ли обезьяны интуитивно «читать мысли» других существ?

ТехИнсайдер
«Расскажите немного о себе»: что отвечать на собеседовании — 4 совета «Расскажите немного о себе»: что отвечать на собеседовании — 4 совета

Как заинтересовать работодателя историей карьерного пути?

Psychologies
Как психологическое состояние влияет на сексуальную жизнь Как психологическое состояние влияет на сексуальную жизнь

Половая жизнь — это не только физиология, но и сложный эмоциональный процесс

Правила жизни
Нина Усатова Нина Усатова

Нина Николаевна выдает мощнейший перформанс про «простую русскую женщину»

Собака.ru
Чтение выходного дня: фрагмент книги «Бархатная кибитка» Павла Пепперштейна Чтение выходного дня: фрагмент книги «Бархатная кибитка» Павла Пепперштейна

Отрывок из интеллектуально-биографического лабиринта «Бархатная кибитка»

Правила жизни
«Маленькие птичьи сердца». Дебютный роман Виктории Ллойд-Барлоу о родительстве и одиночестве «Маленькие птичьи сердца». Дебютный роман Виктории Ллойд-Барлоу о родительстве и одиночестве

Отрывок из романа Виктории Ллойд-Барлоу о цене доверия между людьми

СНОБ
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
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
Почему отношения не выдерживают проверку временем: 5 красных флажков Почему отношения не выдерживают проверку временем: 5 красных флажков

Психологи выделяют распространенные признаки распада отношений

Psychologies
Старая новая дача Старая новая дача

Знакомьтесь с обновлённой версией дома для сезонного проживания

Идеи Вашего Дома
Кому нужны памятники природы?.. Кому нужны памятники природы?..

Что представляет собой памятник природы по сути?

Наука и жизнь
Презрение: что скрывается за высокомерным отношением — научные факты Презрение: что скрывается за высокомерным отношением — научные факты

Как формируется и проявляется высокомерное отношение людей друг к другу?

Psychologies
Почему в автомобилях до сих пор используют свинцовые, а не литиевые аккумуляторы? Почему в автомобилях до сих пор используют свинцовые, а не литиевые аккумуляторы?

Технологии сделали возможными массовое распространение электромобилей

CHIP
Людмила Поргина «Ленком». Коллеги Людмила Поргина «Ленком». Коллеги

Судьба подарила мне театр «Ленком», где я встретила свою любовь

Караван историй
Зодчие империи Зодчие империи

Сколько зарабатывали главные архитекторы Санкт-Петербурга

Деньги
Антон Уткин — о том, как найти свое счастье, занимаясь чем-то эфемерным Антон Уткин — о том, как найти свое счастье, занимаясь чем-то эфемерным

Сценарист Антон Утки — почему порой горящие глаза гораздо важнее правил

РБК
Жившего 1,45 миллиона лет назад гоминина разделал другой гоминин Жившего 1,45 миллиона лет назад гоминина разделал другой гоминин

Возможно, это одно из древнейших свидетельств каннибализма

N+1
Подлинная история игрушек: почему дети изобретательницы Барби ненавидели эту куклу Подлинная история игрушек: почему дети изобретательницы Барби ненавидели эту куклу

Как кукла Барби повлияла на детей изобретательницы Рут Хэндлер?

VOICE
Прогулки по Мурому Прогулки по Мурому

Муром – древний город, в котором жили Петр и Феврония

Лиза
Страшно? Не бойтесь! Как наш мозг обманывает тело Страшно? Не бойтесь! Как наш мозг обманывает тело

Почему мы боимся смерти?

Psychologies
Красота в беде Красота в беде

Как европейская культура перестала бояться страха

Weekend
Каждый день или раз в месяц: как часто нужно заниматься сексом — мнение психологов Каждый день или раз в месяц: как часто нужно заниматься сексом — мнение психологов

Много, мало, достаточно — можно ли применять эти понятия к интимным отношениям?

Psychologies
Почему монструозный стиль подвинул в сторону «чистых» девушек Почему монструозный стиль подвинул в сторону «чистых» девушек

Почему стиль «хорошей девочки» начал уступать «дерзкой девчонке»?

Psychologies
Шурыгина, Солнцев, Бугатти: что стало с героями скандальных ток-шоу Шурыгина, Солнцев, Бугатти: что стало с героями скандальных ток-шоу

Как же сейчас выглядят и чем живут одни из самых ярких звездочек на один эфир?

VOICE
5 самых распространенных наказаний в отношениях 5 самых распространенных наказаний в отношениях

Допустимы ли наказания в отношениях?

Psychologies
Математики научили нейросеть предсказывать будущее. Пока не слишком далекое Математики научили нейросеть предсказывать будущее. Пока не слишком далекое

Исследование показало, как мозг предсказывает будущее в режиме реального времени

ТехИнсайдер
99 способов самоподдержки от смелого психолога Екатерины Сигитовой 99 способов самоподдержки от смелого психолога Екатерины Сигитовой

Список, который вам поможет радоваться жизни каждый день!

Psychologies
Вечная классика: 5 цветов лака, которые должны быть у каждой женщины Вечная классика: 5 цветов лака, которые должны быть у каждой женщины

Главная проблема, когда дело доходит до покрытия, — это выбор

VOICE
Открыть в приложении