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

CAR-T-клетки получили прямо в организме четырех пациентов CAR-T-клетки получили прямо в организме четырех пациентов

Результаты испытаний технологии для получения противоопухолевых Т-лимфоцитов

N+1
Большой и надёжный. Покупка подержанного KIA Mohave (2009-2019) Большой и надёжный. Покупка подержанного KIA Mohave (2009-2019)

Вместе со своим братом – Hyundai ix55, они поделили мир

4x4 Club
Анафилаксию при пищевой аллергии у мышей объяснили наследственностью Анафилаксию при пищевой аллергии у мышей объяснили наследственностью

Ученые разобрались в природе анафилактического шока при пищевой аллергии

N+1
Как подключить две пары наушников к одному смартфону Как подключить две пары наушников к одному смартфону

Как подключить две пары наушников к одному смартфону

CHIP
Как нас обманывает Disney: чем на самом деле заканчиваются популярные детские сказки Как нас обманывает Disney: чем на самом деле заканчиваются популярные детские сказки

Почти у каждой сказки, которую вы читали в детстве, есть версия 18+...

ТехИнсайдер
Современные популяции бурых медведей разделились около 150-100 тысяч лет назад Современные популяции бурых медведей разделились около 150-100 тысяч лет назад

Генетики исследовали ДНК 39 современных и 12 древних бурых медведей

N+1
Дресс-код и шутки о погоде: что нужно знать женщине-экспату, чтобы вести бизнес в ОАЭ Дресс-код и шутки о погоде: что нужно знать женщине-экспату, чтобы вести бизнес в ОАЭ

Сложно ли женщине вести бизнес в ОАЭ?

Forbes
Гонка без вооружений! Как СССР и США искали замену для шариковой ручки в космосе Гонка без вооружений! Как СССР и США искали замену для шариковой ручки в космосе

Как люди пытались создать шариковую ручку для космоса

ТехИнсайдер
Профессор из Стэнфорда уверен, что инопланетяне уже на Земле, но люди ничего не замечают! Согласны? Профессор из Стэнфорда уверен, что инопланетяне уже на Земле, но люди ничего не замечают! Согласны?

Неужели инопланетяне были на Земле? Как это проверить?

ТехИнсайдер
Химпром запускает реакцию восстановления Химпром запускает реакцию восстановления

От чего зависят развитие и технологический суверенитет российского химпрома

РБК
Cкорая помощь из сада Cкорая помощь из сада

Под рукой нет аптечки? Некоторые растения работают не хуже таблеток

Лиза
Стрит-арт, изменивший историю: семь знаменитых «испорченных» мест Стрит-арт, изменивший историю: семь знаменитых «испорченных» мест

Вспоминаем «испорченные» стены и пространства, которые вошли в историю

Правила жизни
Что такое нейрографика? Что такое нейрографика?

Практика, в которой работают руки и… чувство прекрасного

Psychologies
Гельголанд, роковой остров Гельголанд, роковой остров

Маленький остров Гельголанд пережил много всего

Дилетант
«Год порно»: литературные откровения миллениала-провинциала «Год порно»: литературные откровения миллениала-провинциала

Критики называют Илью Мамаева-Найлз «российской Салли Руни»

Psychologies
Японские инженеры испытали роборуку с живой мокрицей Японские инженеры испытали роборуку с живой мокрицей

Японские инженеры использовали мокрицу в качестве захвата для роборук

N+1
Горячая йога: полезна ли она для здоровья, и что говорит наука Горячая йога: полезна ли она для здоровья, и что говорит наука

Почему бикрам-йога в последние годы приобрела значительную популярность

ТехИнсайдер
Главы государств, которые до вступления в должность успели побывать в тюрьме Главы государств, которые до вступления в должность успели побывать в тюрьме

Девять правителей, отбывших тюремный срок до срока президентского

Maxim
Беларусь вводит химическую кастрацию для педофилов: насколько эффективно такое наказание Беларусь вводит химическую кастрацию для педофилов: насколько эффективно такое наказание

Как наказывают за насилие над детьми в разных странах

Psychologies
Эротика в советской литературе Эротика в советской литературе

Хотите верьте, хотите нет, но в советской художественной литературе был секс

Maxim
Как обсуждать секс с партнером: 6 вопросов и 3 совета для диалога Как обсуждать секс с партнером: 6 вопросов и 3 совета для диалога

Эти вопросы помогут вам открыть новые возможности для сексуального опыта

Psychologies
Маршрут построен Маршрут построен

5 идей на уик-энд в Ивановской области

Лиза
Роботы в свитерах научились чувствовать прикосновения Роботы в свитерах научились чувствовать прикосновения

Зачем инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов?

N+1
Странные и прекрасные застольные традиции народов мира Странные и прекрасные застольные традиции народов мира

Рассказываем об интересных алкогольных обычаях разных стран

Maxim
Синтетическая кожа передает сигналы в мозг и может сделать протезы чувствительными Синтетическая кожа передает сигналы в мозг и может сделать протезы чувствительными

Ученые Стэнфорда разработали мягкую и растяжимую электронную кожу

ТехИнсайдер
Сон в большом городе. Как дефицит сна влияет на здоровье человека Сон в большом городе. Как дефицит сна влияет на здоровье человека

Каким правилам стоит следовать при организации режима дня

СНОБ
Из чего состоит роман Ивана Тургенева «Отцы и дети» Из чего состоит роман Ивана Тургенева «Отцы и дети»

Как роман Ивана Тургенева «Отцы и дети» повлиял на культуру и политику страны

СНОБ
Часов много не бывает: первые умные «дайверы» Часов много не бывает: первые умные «дайверы»

Когда «дайверы» появились в линейке всех мужских часовых брендов

ТехИнсайдер
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
Степной закат Степной закат

Этот дом максимально ориентирован на ландшафт

Идеи Вашего Дома
Открыть в приложении