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

Причиной гипонатриемии при приеме МДМА назвали выброс окситоцина Причиной гипонатриемии при приеме МДМА назвали выброс окситоцина

Гипонатриемия при приеме МДМА связана с повышением уровня окситоцина

N+1
Город мечты Город мечты

На берегу Каспийского моря Эмин Агаларов строит город своей мечты

OK!
Пятнистую гиену встретили в Египте впервые за 5000 лет Пятнистую гиену встретили в Египте впервые за 5000 лет

В Гебель-Эльба, Египет, впервые за 5000 лет встретили пятнистую гиену

N+1
Хищники перекусили рекордно длинные шеи танистрофеев Хищники перекусили рекордно длинные шеи танистрофеев

Необычная анатомическая черта сделала танистрофеев уязвимыми перед хищниками

N+1
Исследование выявило один фактор, по которому можно понять, что вы находитесь в здоровых отношениях Исследование выявило один фактор, по которому можно понять, что вы находитесь в здоровых отношениях

Как узнать, что ваши отношения здоровые? Поможет поступок, выявленный учеными

ТехИнсайдер
Как птицы учатся использовать звёздный компас Как птицы учатся использовать звёздный компас

Биологи связали популяции птиц, зимующих в одном районе, а гнездящихся в другом

Наука и жизнь
Усы на миллион: самые необычные части тела, которые страхуют знаменитости Усы на миллион: самые необычные части тела, которые страхуют знаменитости

Разбираемся, что страхуют селебрити и сколько это стоит

РБК
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
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
Майонезный шик: как этот соус стал одним из самых популярных в мире Майонезный шик: как этот соус стал одним из самых популярных в мире

Как майонез появился в России и почему пользуется такой популярностью сейчас

Forbes
Пора на дачу — грядки полоть! 5 причин, почему работать в огороде полезно для здоровья Пора на дачу — грядки полоть! 5 причин, почему работать в огороде полезно для здоровья

Садоводство — настоящая тренировка для ума и тела, если правильно им заниматься

ТехИнсайдер
Будущие Атлантиды: 7 городов по всему миру, которые уходят под воду Будущие Атлантиды: 7 городов по всему миру, которые уходят под воду

Некоторые города могут полностью затонуть уже к началу следующего десятилетия

ТехИнсайдер
10 лучших сериалов про сумасшедших, душевнобольных и психбольницы. Часть II 10 лучших сериалов про сумасшедших, душевнобольных и психбольницы. Часть II

Сериалы о том, как безумие и ментальные проблемы влияют на людей и окружающих

Maxim
Павел Кеив Павел Кеив

У промышленного дизайна в России совершенно точно есть будущее

Собака.ru
Внутри астероида Итокава найдена обычная соль — и эта находка уникальна Внутри астероида Итокава найдена обычная соль — и эта находка уникальна

Почему ученых так взволновал самый заурядный хлорид натрия?

ТехИнсайдер
Семь самых загадочных археологических находок Семь самых загадочных археологических находок

Иногда древние артефакты заставляют ученых гадать о их назначении десятилетиями

Maxim
Собака-ищейка спасает исчезающих гребенчатых тритонов. Она научилась их вынюхивать под землей Собака-ищейка спасает исчезающих гребенчатых тритонов. Она научилась их вынюхивать под землей

Нюх собаки — это все-таки совершенно непревзойденный запаховый детектор

ТехИнсайдер
5 самых распространенных мифов о потере веса из социальных сетей 5 самых распространенных мифов о потере веса из социальных сетей

Какие мифы о диетах являются "красными флагами"?

ТехИнсайдер
3 самых распространенных мифа об одиночестве, про которые пора забыть 3 самых распространенных мифа об одиночестве, про которые пора забыть

Что мы думаем об одиночестве?

Psychologies
«Мастурбация — значит измена?»: разбор с психологами «Мастурбация — значит измена?»: разбор с психологами

Почему в отношениях мастурбация по-прежнему остается негласным табу

Psychologies
Ссора с Паркер ни при чем: вот почему Ким Кэттролл никогда не хотела играть Саманту — отказывалась пять раз! Ссора с Паркер ни при чем: вот почему Ким Кэттролл никогда не хотела играть Саманту — отказывалась пять раз!

Почему Ким Кэттролл не хотела сниматься в сериале "Секс в большом городе"

VOICE
Почему люди боятся своих цифровых двойников Почему люди боятся своих цифровых двойников

Развиваются приложения deepfake, которые позволяют создавать ИИ-клоны человека

ТехИнсайдер
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.
Атмосфера нулевых: 7 лучших фильмов, чтобы переосмыслить то время Атмосфера нулевых: 7 лучших фильмов, чтобы переосмыслить то время

Несколько фильмов и сериалов, которые погрузят вас в нулевые

Maxim
Самые уязвимые: как стигма в обществе влияет на женщин с ментальными расстройствами Самые уязвимые: как стигма в обществе влияет на женщин с ментальными расстройствами

Как стигматизация повышает уязвимость женщин с ментальными расстройствами

Forbes
Между «Севером — Югом» и «Западом — Востоком» Между «Севером — Югом» и «Западом — Востоком»

Потенциал развития сельского хозяйства Самарской области

Агроинвестор
Сопки, бухты, острова Сопки, бухты, острова

Можно ли понять и полюбить незнакомый город всего за пару дней?

Отдых в России
Тонкое взаимодействие Тонкое взаимодействие

Интерьер дома, построенного по индивидуальному проекту, сложился подобно пазлу

Идеи Вашего Дома
Тонкости перехода Тонкости перехода

Управляющие ищут замену западным активам

Деньги
«Все равно надо двигаться дальше»: когда полезно игнорировать чувства — необычный взгляд на проблемы «Все равно надо двигаться дальше»: когда полезно игнорировать чувства — необычный взгляд на проблемы

В чем польза перестать прислушиваться к собственным чувствам

Psychologies
Открыть в приложении