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

Международная комиссия предложила пересмотреть определение ожирения Международная комиссия предложила пересмотреть определение ожирения

Ученые предложили разделить ожирение на две различные формы

N+1
Никогда не ешь перед сном эти продукты, если хочешь выспаться и проснуться свежей и в хорошем настроении Никогда не ешь перед сном эти продукты, если хочешь выспаться и проснуться свежей и в хорошем настроении

Невозможность нормально выспаться сильно ухудшает качество жизни

VOICE
Только наука: сколько времени нам нужно, чтобы влюбиться Только наука: сколько времени нам нужно, чтобы влюбиться

Сколько часов, минут и секунд нужно человеку, чтобы привязаться к партнеру?

ТехИнсайдер
Не такие, как все: 5 животных, у которых кровь не красного цвета Не такие, как все: 5 животных, у которых кровь не красного цвета

От чего зависит цвет крови у животных и у кого она самого странного цвета?

ТехИнсайдер
Потрясно: что такое турбулентность и почему ее не надо бояться Потрясно: что такое турбулентность и почему ее не надо бояться

Рассказываем, что такое турбулентность и почему ее совершенно не стоит бояться

ТехИнсайдер
Так и не стали взрослыми: дети-актеры, которые рано умерли – самые трагические истории Так и не стали взрослыми: дети-актеры, которые рано умерли – самые трагические истории

У них впереди была целая жизнь, но, увы, она внезапно оборвалась.

VOICE
«Обычно я не так легкомысленна, но…»: как и почему на нас влияет эротическая литература «Обычно я не так легкомысленна, но…»: как и почему на нас влияет эротическая литература

Каким терапевтическим эффектом обладают печатные постельные сцены?

Psychologies
Как генеративный ИИ повлияет на закон об авторском праве Как генеративный ИИ повлияет на закон об авторском праве

Как адаптировать законы об авторском праве в отношении генеративного ИИ

ТехИнсайдер
«В Бабкине тараканить некого», или Где искать секс за МКАД «В Бабкине тараканить некого», или Где искать секс за МКАД

Отправляемся в поисках секса на Чукотку и в Таиланд

СНОБ
Маленькие, но премиальные. Сравнение BMW X1 M35i и Mercedes-AMG GLA 35 Маленькие, но премиальные. Сравнение BMW X1 M35i и Mercedes-AMG GLA 35

Кроссоверы BMW и Mercedes-AMG очень похожи и выбирать между ними непросто

4x4 Club
Живые ископаемые Живые ископаемые

Членистоногие не зря послужили источником вдохновения для фантастов

Наука и жизнь
Одиночество лидера Одиночество лидера

Одиночество как проявление силы человека в исполнении Николая Рериха

Вокруг света
Погребенной на кровати раннесредневековой девушке воссоздали лицо Погребенной на кровати раннесредневековой девушке воссоздали лицо

Художники восстановили внешность молодой девушки из раннего Средневековья

N+1
Как социоэкономический статус влияет на ваше общение с людьми? Узнайте секреты психологии! Как социоэкономический статус влияет на ваше общение с людьми? Узнайте секреты психологии!

Как социоэкономический статус влияет на самооценку людей и их мышление

ТехИнсайдер
Тревога во время беременности: какой она бывает Тревога во время беременности: какой она бывает

Глава из книги «Хорея» Марины Кочан

Psychologies
10 самых провальных российских фильмов этого века. Часть II 10 самых провальных российских фильмов этого века. Часть II

Про половину из этих провальных кинолент вы даже не слышали

Maxim
На земле и на суше: зачем люксовые бренды выступают с экологическими инициативами На земле и на суше: зачем люксовые бренды выступают с экологическими инициативами

Какой вклад индустрия роскоши вносит в сохранение флоры и фауны на планете

Forbes
Врачи предлагали ампутацию: Билозерчев стал чемпионом, несмотря на травму и бойкот Врачи предлагали ампутацию: Билозерчев стал чемпионом, несмотря на травму и бойкот

История гимнаста Дмитрия Билозерчева: как он пережил травму и получил медаль

Forbes
Свежевыжатые соки Свежевыжатые соки

Какие плюсы и минусы скрываются в ароматных соблазнах свежевыжатых соков?

Здоровье
Toyota Stout. Выпустит ли японская компания конкурента Ford Maverick и Hyundai Santa Cruz? Toyota Stout. Выпустит ли японская компания конкурента Ford Maverick и Hyundai Santa Cruz?

Ходят слухи, что Toyota работает над новым компактным пикапом

4x4 Club
Как на самом деле расшифровывается SOS Как на самом деле расшифровывается SOS

Как и когда изобрели сигнал SOS?

ТехИнсайдер
Как сделать QR код и зачем он нужен Как сделать QR код и зачем он нужен

Рассказываем о том, как легко и быстро создать QR код

CHIP
Дети и взрослые с СДВГ: отвечаем на самые важные вопросы Дети и взрослые с СДВГ: отвечаем на самые важные вопросы

Как отличить особенности поведения или темперамента ребенка от диагноза?

Psychologies
«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
У ИИ бывают «галлюцинации», но не такие, как у человека У ИИ бывают «галлюцинации», но не такие, как у человека

Какие галлюцинации видит искусственный интеллект?

ТехИнсайдер
Давайте вспомним. Европейские Ford Maverick/Nissan Terrano II (1993-2007) Давайте вспомним. Европейские Ford Maverick/Nissan Terrano II (1993-2007)

МАшины, которые были настолько незаметными, что сегодня о них мало кто помнит

4x4 Club
(Не)отцовская любовь: как понять, что ребенка подвергают сексуальному насилию дома (Не)отцовская любовь: как понять, что ребенка подвергают сексуальному насилию дома

Опасность может подстерегать детей даже в самом безопасном по определению месте

Psychologies
Ксения Подвальная Ксения Подвальная

Главный феномен петербургской моды прямо сейчас — Atelier Biser

Собака.ru
Марафон выбора: как мы находим друг друга — 4 вечно актуальных принципа Марафон выбора: как мы находим друг друга — 4 вечно актуальных принципа

Почему из множества потенциальных партнеров мы выбираем одного-единственного?

Psychologies
Нейросеть точно оценила хаос и помогла найти признаки болезни Альцгеймера на энцефалограммах Нейросеть точно оценила хаос и помогла найти признаки болезни Альцгеймера на энцефалограммах

Алгоритм смог рассортировать ЭЭГ здоровых людей и пациентом с Альцгеймером

ТехИнсайдер
Открыть в приложении