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

Амазонские дельфины помочились в воздух Амазонские дельфины помочились в воздух

Как китообразные используют мочеиспускание для коммуникации

N+1
Как понять, что сладкое разрушает твое здоровье: 5 тревожных симптомов Как понять, что сладкое разрушает твое здоровье: 5 тревожных симптомов

Задумайся о снижении количества сахара в рационе, если у тебя есть эти признаки

VOICE
Генетики выявили старейшего известного домашнего кота Китая Генетики выявили старейшего известного домашнего кота Китая

Самая ранняя домашняя кошка жила в VIII или IX веках нашей эры

N+1
Как тип привязанности повлияет на ваши отношения: 3 сценария Как тип привязанности повлияет на ваши отношения: 3 сценария

Как сценарий отношений зависит от детского опыта партнеров?

Psychologies
Что такое дневник питания, как его вести: разбираемся вместе с диетологом Что такое дневник питания, как его вести: разбираемся вместе с диетологом

Дневник питания — это простой, но эффективный способ контролировать свой рацион

РБК
Почему опасно делать гель-маникюр дома: эта ошибка может испортить здоровье на всю жизнь Почему опасно делать гель-маникюр дома: эта ошибка может испортить здоровье на всю жизнь

Почему нужно быть осторожной с гель-лаком?

VOICE
«Это было очень мило. Я заплакала»: Сара Фергюсон раскрыла тайну имени сына принцессы Евгении «Это было очень мило. Я заплакала»: Сара Фергюсон раскрыла тайну имени сына принцессы Евгении

Бывшая невестка Елизаветы II рассказала о младшем внуке

VOICE
Проклятие «Титаника»: почему говорят, что спустя 111 лет лайнер продолжает губить людей Проклятие «Титаника»: почему говорят, что спустя 111 лет лайнер продолжает губить людей

Когда «Титаник» потерпел крушение, тут же поползли слухи о проклятии

VOICE
Секреты стиля Джорджа Майкла Секреты стиля Джорджа Майкла

Из чего состоял гардероб иконы стиля Джорджа Майкла?

Правила жизни
Как вкатиться в раздельный сбор мусора. Первые шаги, частые ошибки и лайфхаки Как вкатиться в раздельный сбор мусора. Первые шаги, частые ошибки и лайфхаки

Елена Михайлова рассказывает, как и зачем начать раздельный сбор отходов

Inc.
В неандертальцах разглядели мукомолов В неандертальцах разглядели мукомолов

Остатки перетертых зерен нашли на каменных орудиях из Италии

N+1
«Она Стас Михайлов для девчонок»: продюсер Пашу заявил, что Анна Asti поет для «обиженных разведенок» «Она Стас Михайлов для девчонок»: продюсер Пашу заявил, что Анна Asti поет для «обиженных разведенок»

Пашу оценил популярность бывшей солистки группы Artik & Asti

VOICE
Ты и бывший: что остается после финала? Ты и бывший: что остается после финала?

Любовь однажды заканчивается, но след от нее растягивается на годы

VOICE
Не только в коктейли: 10 потрясающих методов использования кубиков льда, которые пригодятся каждому Не только в коктейли: 10 потрясающих методов использования кубиков льда, которые пригодятся каждому

Какие суперспособности есть у обычного кусочка льда?

ТехИнсайдер
Без вины виноватый: защищаемся от субсидиарной ответственности Без вины виноватый: защищаемся от субсидиарной ответственности

Что такое субсидиарная ответственность и как от нее защититься

Inc.
Александр Макаров Александр Макаров

Из Питера в первое плавание отправилась уникальная платформа «Северный полюс»

Собака.ru
Тихие американцы Тихие американцы

Что ждет коренных американцев в будущем?

Вокруг света
Голубиные мозговые желудочки наполнились ликвором во время медленного сна Голубиные мозговые желудочки наполнились ликвором во время медленного сна

Мозг голубей способен очищаться от ненужных метаболитов

N+1
«И Бог создал женщину»: как кино отражало появление новых француженок «И Бог создал женщину»: как кино отражало появление новых француженок

Глава из книги «Новая женщина в кинематографе переходных исторических периодов»

Forbes
«Развод снова лишил мою дочь отца»: история одного переезда и двух замужеств «Развод снова лишил мою дочь отца»: история одного переезда и двух замужеств

Почему возникшая в отношениях трещина неумолимо разводит нас в разные стороны

Psychologies
«Перезаряжайте батарейки»: 7 привычек, которые помогают поддерживать мотивацию каждый день «Перезаряжайте батарейки»: 7 привычек, которые помогают поддерживать мотивацию каждый день

Как быть, если силы на исходе, а мотивация на нуле?

Psychologies
Датский кинорежиссер Мартин Сковбьерг: Если мы не переосмыслим суть привилегированности, то чувства многих останутся проигнорированы Датский кинорежиссер Мартин Сковбьерг: Если мы не переосмыслим суть привилегированности, то чувства многих останутся проигнорированы

Режиссер Мартин Сковбьерг — о губительных социальных нормах и Копенгагене

СНОБ
Что находится внутри черной дыры: есть ли у физиков ответ? Что находится внутри черной дыры: есть ли у физиков ответ?

Что такое черная дыра и может ли что-то находиться внутри неё?

ТехИнсайдер
Психостимуляторы оказались бесполезны при решении задачи о рюкзаке Психостимуляторы оказались бесполезны при решении задачи о рюкзаке

Повышение когнитивных усилий нивелировалось снижением их качества

N+1
Александра Власова: «Я изменила свою жизнь на 180 градусов» Александра Власова: «Я изменила свою жизнь на 180 градусов»

Я уверена, что любые отношения — это работа

Караван историй
Как сделать рабочее место источником энергии: правильно организуем пространство для работы Как сделать рабочее место источником энергии: правильно организуем пространство для работы

Как сделать пространство для работы максимально комфортным

ТехИнсайдер
Разработан метод, который позволяет с вероятностью 99% определить статью, написанную чат-ботом Разработан метод, который позволяет с вероятностью 99% определить статью, написанную чат-ботом

Создан инструмент для идентификации академических научных текстов, созданных ИИ

ТехИнсайдер
Когда воссияли звезды: ученые рассказали, какой была таинственная «эпоха Реионизации» на заре времен Когда воссияли звезды: ученые рассказали, какой была таинственная «эпоха Реионизации» на заре времен

Астрономы пытаются разгадать секреты того, когда Вселенная зажгла свои огни

ТехИнсайдер
Стволовые клетки смогли восстановить сердце, поврежденное ишемической болезнью Стволовые клетки смогли восстановить сердце, поврежденное ишемической болезнью

Стволовые клетки помогут регенерировать сердечную мышцу

ТехИнсайдер
Как на самом деле расшифровывается SOS Как на самом деле расшифровывается SOS

Как и когда изобрели сигнал SOS?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении