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

Найденная рыбаками на дне Тайваньского пролива древняя челюсть принадлежала денисовцу Найденная рыбаками на дне Тайваньского пролива древняя челюсть принадлежала денисовцу

Кусок нижней челюсти архаичного человека Penghu-1 принадлежал денисовцу

N+1
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
Ученые объяснили, как езда на велосипеде способствует снижению риска развития деменции Ученые объяснили, как езда на велосипеде способствует снижению риска развития деменции

Езда на велосипеде полезнее, чем вы думали

ТехИнсайдер
Александр Цыпкин Александр Цыпкин

За год у Александра было четыре театральные премьеры спектаклей по его текстам

Собака.ru
Как правильно ехать по серпантину: ПДД для водителей Как правильно ехать по серпантину: ПДД для водителей

Как безопасно передвигаться по серпантину?

РБК
Актер из «Гарри Поттера» — профессиональный боец ММА: ушел в спорт после съемок и уже дважды победил Актер из «Гарри Поттера» — профессиональный боец ММА: ушел в спорт после съемок и уже дважды победил

Десять очков «Слизерину»!

Maxim
Как 22-летняя певица из России Alizade покорила Турцию и продолжает покорять мир Как 22-летняя певица из России Alizade покорила Турцию и продолжает покорять мир

Почему Alizade пророчат мировую славу?

Forbes
Чтение — сила Чтение — сила

«Библиотекарь»: экранизация актуализировавшегося романа Михаила Елизарова

Weekend
«Экономическое образование должно быть направлено на благо людей и планеты» | “Economic Education Must Be for the Good of the People and the Planet” «Экономическое образование должно быть направлено на благо людей и планеты» | “Economic Education Must Be for the Good of the People and the Planet”

Интервью с Сонал Рагхуванши, движение Economists for Future

Позитивные изменения
Ни в коем случае не наносите сметану: как быстро вылечить солнечный ожог и облегчить боль Ни в коем случае не наносите сметану: как быстро вылечить солнечный ожог и облегчить боль

Случайно уснули на солнце, пока загорали?

ТехИнсайдер
Как нейросети создают персонажей и киновселенные Как нейросети создают персонажей и киновселенные

Разбираемся, как используют нейросети в современной киноиндустрии

CHIP
Обсасывать и выбрасывать: на рынках Китая появилось странное блюдо из жареных камней Обсасывать и выбрасывать: на рынках Китая появилось странное блюдо из жареных камней

Кулинарное увлечение китайцев с жареной галькой потрясло интернет

ТехИнсайдер
Секс без обязательств: вред или польза — узнайте правду Секс без обязательств: вред или польза — узнайте правду

О плюсах и минусах мимолетных встреч

Psychologies
Календарь вакцинации: какие прививки нужно делать взрослым? Календарь вакцинации: какие прививки нужно делать взрослым?

Помогают ли прививки и от чего стоит защищаться в первую очередь?

Правила жизни
История с «Троицей»: почему объекты культуры передают религиозным организациям История с «Троицей»: почему объекты культуры передают религиозным организациям

Передача музейных ценностей конфессиям — новый культурно-религиозный передел?

Forbes
Мария Хорева Мария Хорева

Мария Хорева после травмы вернулась на сцену по-настоящему триумфально

Собака.ru
Вегетарианка и чудачка: почему друзья Ильи Репина не любили его жену Наталью Нордман Вегетарианка и чудачка: почему друзья Ильи Репина не любили его жену Наталью Нордман

Какой была жена Ильи Репина Наталья Нордман?

Forbes
Рассада растет, как на дрожжах: 5 способов повторно использовать чайные пакетики на огороде Рассада растет, как на дрожжах: 5 способов повторно использовать чайные пакетики на огороде

На даче найдется много способов применения использованных чайных пакетиков

ТехИнсайдер
Что такое «дофаминовая перезагрузка» и почему она так нужна нам сегодня Что такое «дофаминовая перезагрузка» и почему она так нужна нам сегодня

Что такое дофаминовая система, как она связана с получением удовольствия

Psychologies
Селин Дион, Мадонна, Бейонсе: 15 самых богатых женщин шоу-бизнеса в США Селин Дион, Мадонна, Бейонсе: 15 самых богатых женщин шоу-бизнеса в США

Какие знаменитости вошли в рейтинг самых богатых self-made-женщин Америки?

Forbes
Как в «Моем преступлении» Франсуа Озону удалось играючи поговорить на тему женской эмансипации Как в «Моем преступлении» Франсуа Озону удалось играючи поговорить на тему женской эмансипации

«Мое преступление» — фильм-размышление на тему женской эмансипации

СНОБ
Почему березу считают символом России? Почему березу считают символом России?

Почему же в культурном пространстве береза стала символом именно русского народа

Культура.РФ
5 освежающих и зажигательных летних коктейлей с коньяком 5 освежающих и зажигательных летних коктейлей с коньяком

Коктейлей с коньяком получаются вкусные. И, что немаловажно, прохладительные!

Maxim
Огонь-трава Огонь-трава

Повстречав это растение на своём пути, непременно замедлишь шаг

Наука и жизнь
Мне скучно, йес! Мне скучно, йес!

Как кино справляется со скукой

Weekend
Как ликерные вина стали самой многострадальной категорией российского виноделия Как ликерные вина стали самой многострадальной категорией российского виноделия

Мы живем в стране победившего портвейна

Forbes
Тонкие технологии. Как природа помогает создавать высокочувствительных роботов Тонкие технологии. Как природа помогает создавать высокочувствительных роботов

Как понимание механизмов работы мозга помогает в создании новых технологий?

СНОБ
Почему женщины все еще боятся маммографии: 3 главных страха Почему женщины все еще боятся маммографии: 3 главных страха

Что останавливает женщин от похода к маммологу и что делать

Psychologies
Маски с грядки Маски с грядки

Достойная замена дорогим салонным процедурам из простых и доступных ингредиентов

Лиза
Вирус здоровой крови Вирус здоровой крови

Новый метод лечения гемофилии работает прямо из человеческой клетки

Наука
Открыть в приложении