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

Почти вся пластиковая упаковка загрязнила пищу микропластиком Почти вся пластиковая упаковка загрязнила пищу микропластиком

Микро- и нанопоастик переходит из пластикосодержащей упаковки в еду и напитки

N+1
Людьми вырастут? Людьми вырастут?

На что похожи и на что способны пять искусственных зародышей человека

N+1
Астрономы увидели старт образования экзопланет в протопланетном диске Астрономы увидели старт образования экзопланет в протопланетном диске

Как образовываются твердые тела в диске протозвезды

N+1
Нерожденный ребенок: как пережить прервавшуюся беременность Нерожденный ребенок: как пережить прервавшуюся беременность

Правил, которые помогут пережить прервавшуюся беременность и сохранить здоровье

Psychologies
Опасно ли прятаться в машине от грозы: это объяснение поймет даже школьник Опасно ли прятаться в машине от грозы: это объяснение поймет даже школьник

Если гроза застала вас в пути, чем станет машина – спасением или смертью?

ТехИнсайдер
Как сохранить красоту маникюра после 50 лет: простые лайфхаки от экспертов Как сохранить красоту маникюра после 50 лет: простые лайфхаки от экспертов

Возраст – не помеха здоровым и крепким ногтям!

VOICE
Рефлексия белого человека Рефлексия белого человека

«Переводчик»: Гай Ритчи не о бандитах, а о войне

Weekend
Легенда на все времена. Wrangler 2024, с новым мягким верхом и 6.4-литровым мотором Легенда на все времена. Wrangler 2024, с новым мягким верхом и 6.4-литровым мотором

Jeep Wrangler сохраняет за собой титул «легендарного внедорожника»

4x4 Club
Мотоциклы с коляской как лучшее средство взволновать девушку Мотоциклы с коляской как лучшее средство взволновать девушку

Когда-то мотоциклы с коляской играли важную роль в жизни людей

Maxim
«Людей нужно где-то кормить»: почему регионы переживают бум ресторанных франшиз «Людей нужно где-то кормить»: почему регионы переживают бум ресторанных франшиз

Как развивается российский общепит в регионах

Forbes
5 признаков, что ты пришла в плохую парикмахерскую: их должна знать каждая женщина 5 признаков, что ты пришла в плохую парикмахерскую: их должна знать каждая женщина

Выбрать хорошего парикмахера не так просто, как кажется на первый взгляд

VOICE
«Женщины играют значительную роль в освоении арктических территорий» «Женщины играют значительную роль в освоении арктических территорий»

О важности постоянного прямого диалога с женщинами коренных народов Севера

РБК
Затратная болезнь: как в России противостоят гриппу птиц Затратная болезнь: как в России противостоят гриппу птиц

Во сколько обходится производству многолетняя борьба с птичьим гриппом

Forbes
Психологи объяснили, как найти своего соулмейта Психологи объяснили, как найти своего соулмейта

Кто такой соулмейт и как найти свою родственную душу?

Psychologies
Влияют на гормоны и красоту: почему опасно носить солнцезащитные очки слишком долго Влияют на гормоны и красоту: почему опасно носить солнцезащитные очки слишком долго

Оказывается, солнцезащитные очки опасно носить подолгу

VOICE
Что делать, если выворачивается каре: лучшие пути спасения испорченной стрижки Что делать, если выворачивается каре: лучшие пути спасения испорченной стрижки

После стрижки каре смотрится совсем не так, как ты задумала?

VOICE
Он в вас (не) влюблен: как узнать правду о чувствах мужчины Он в вас (не) влюблен: как узнать правду о чувствах мужчины

Как он видит (и видит ли он вообще) продолжение отношений?

Psychologies
Тихие американцы Тихие американцы

Что ждет коренных американцев в будущем?

Вокруг света
Что ели на Руси до картошки? Что ели на Руси до картошки?

До XVII века на Руси господствовали совершенно другие продукты

Культура.РФ
Взгляд в будущее Взгляд в будущее

Вопрос о перспективах долгосрочного экономического развития в России

Деньги
«Платонические отношения»: смешной и тонкий сериал о дружбе между мужчиной и женщиной «Платонические отношения»: смешной и тонкий сериал о дружбе между мужчиной и женщиной

«Платонические отношения» — сериал о настоящей и трепетной дружбе

Forbes
Как восточные женщины сохраняют шлейф и аромат парфюма вокруг себя - три простых секрета, которые ты захочешь повторить Как восточные женщины сохраняют шлейф и аромат парфюма вокруг себя - три простых секрета, которые ты захочешь повторить

Несколько секретов, которые восточные женщины применяют каждый день

VOICE
Земледелие в Северо-Западную Африку принесли мигранты с Пиренейского полуострова Земледелие в Северо-Западную Африку принесли мигранты с Пиренейского полуострова

Палеогенетики прочитали ДНК девяти человек, живших в позднем эпипалеолите

N+1
«Пусть она уйдет»: роман о жизни женщины с ментальными особенностями «Пусть она уйдет»: роман о жизни женщины с ментальными особенностями

Отрывок из книги «Маленькие птичьи сердца»

Forbes
Любознательный непоседа или сдержанный интеллектуал: какой твой ребенок по психоматрице Любознательный непоседа или сдержанный интеллектуал: какой твой ребенок по психоматрице

Какими чертами характера детей наделяет январь, а какими — июль?

VOICE
В 1986 году рядом с озером Ньос умерло 1746 человек и все животные. Это случилось за пару секунд В 1986 году рядом с озером Ньос умерло 1746 человек и все животные. Это случилось за пару секунд

21 августа 1986 года на озере Ньос был слышен странный грохочущий звук...

ТехИнсайдер
Полюбить будни: как находить радость в повседневной жизни и рабочей рутине Полюбить будни: как находить радость в повседневной жизни и рабочей рутине

Отрывок из книги «Обычный вторник» — о том, как наполнить смыслом повседневность

Forbes
Как вчерашние студенты построили сервис для подготовки к экзаменам и продали 25% VK Как вчерашние студенты построили сервис для подготовки к экзаменам и продали 25% VK

Стартап, запущенный Дмитрием Даниловым, кратно вырос за последние годы

Forbes
Он шантажом заставлял Софью рожать все чаще и чаще: жуткие факты из жизни Льва Толстого Он шантажом заставлял Софью рожать все чаще и чаще: жуткие факты из жизни Льва Толстого

Софья и Лев Толстой познакомились, когда ей было 18, а ему 34

ТехИнсайдер
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
Открыть в приложении