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

Карельские медведи оказались самыми подвижными среди европейских Карельские медведи оказались самыми подвижными среди европейских

Свободнее всего в Европе пространство осваивают карельские медведи

N+1
Отрывок из новой книги норвежского писателя Карла Уве Кнаусгора Отрывок из новой книги норвежского писателя Карла Уве Кнаусгора

«Надежды» — пятая книга автобиографии «Моя борьба» Карла Уве Кнаусгора

СНОБ
Ученые обнаружили настоящие пляжи на Марсе Ученые обнаружили настоящие пляжи на Марсе

Наблюдения показали на Красной планете подземные образования, напоминающие пляжи

Inc.
Вниманию шопоголиков Вниманию шопоголиков

6 уловок в магазинах одежды, на которые мы часто попадаемся

Лиза
7 вещей, которые никогда не делают счастливые люди 7 вещей, которые никогда не делают счастливые люди

Эксперт по счастью: 7 вещей, которые никогда не делают счастливые люди

Inc.
ИИ выяснил, что сказки полны гендерных предубеждений. Надо что-то менять ИИ выяснил, что сказки полны гендерных предубеждений. Надо что-то менять

Система искусственного интеллекта, которая анализирует детские сказки

ТехИнсайдер
Назинская трагедия — одно из самых страшных событий советской истории Назинская трагедия — одно из самых страшных событий советской истории

Для 4000 человек остров Назино стал не только местом ссылки, но и местом гибели

ТехИнсайдер
Путешествия по стране могут стать драйвером экономики Путешествия по стране могут стать драйвером экономики

Туристическая отрасль получила шанс на динамичное развитие

РБК
Из Замка в Замок. О чем и как писал Франц Кафка Из Замка в Замок. О чем и как писал Франц Кафка

Почему кафкианские герои постоянно находятся в болезненном состоянии?

СНОБ
Покупатели были в гневе: как в жизни Барби появился Кен – неизвестные страницы культовой истории любви Покупатели были в гневе: как в жизни Барби появился Кен – неизвестные страницы культовой истории любви

Барби и Кен: история взлетов и падений

VOICE
Особенности национальной газификации Особенности национальной газификации

Газовики Подмосковья полностью перешли на российскую продукцию

Деньги
Рынок на десятки миллиардов: что такое ЦФА, как туда инвестировать и зачем это нужно Рынок на десятки миллиардов: что такое ЦФА, как туда инвестировать и зачем это нужно

Почему ЦФА могут быть интересны как инвестиционные активы

Forbes
Школа юмора и любви к себе и окружающим: каким получился финал сериала «Тед Лассо» Школа юмора и любви к себе и окружающим: каким получился финал сериала «Тед Лассо»

В чем секрет успеха «Теда Лассо» и каким получился последний сезон

Forbes
Что произойдет с планетой, если люди внезапно исчезнут? Интересные факты! Что произойдет с планетой, если люди внезапно исчезнут? Интересные факты!

Станет ли Земле легче, если все 8 миллиардов человек внезапно исчезнут?

ТехИнсайдер
BMW X3 и Genesis GV70 разбили на краш-тестах: на чем безопасно ездить BMW X3 и Genesis GV70 разбили на краш-тестах: на чем безопасно ездить

BMW X3 и Mercedes GLC стали самыми безопасными моделями на краш-тестах

РБК
Инвесторы ставят на дивиденды Инвесторы ставят на дивиденды

Дивидендная доходность эмитентов России остается одной из самых высоких в мире

Деньги
Как подключить сабвуфер к магнитоле: пошаговая инструкция Как подключить сабвуфер к магнитоле: пошаговая инструкция

Какие сабвуферы бывают и что нужно, чтобы подключить их к автомагнитоле

CHIP
«Борьба с драконом — это коллективное действие» «Борьба с драконом — это коллективное действие»

Александр Абатуров о своем фильме «Рай»

Weekend
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
«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
История мятежей в СССР История мятежей в СССР

Бунтов в истории СССР было гораздо больше, чем принято думать

Maxim
Дать отпор и справиться с бессилием: чем полезна злость — 5 неочевидных преимуществ Дать отпор и справиться с бессилием: чем полезна злость — 5 неочевидных преимуществ

Почему опасен запрет на агрессию и какие бонусы на самом деле несет это чувство?

Psychologies
Исторический Chevrolet Avalanche Base Camp продаётся на eBay Исторический Chevrolet Avalanche Base Camp продаётся на eBay

Этот оригинальный экспедиционный пикап был изготовлен по заказу General Motors

4x4 Club
Герой триллеров: 5 лучших аудиокниг легендарного Джона Маррса Герой триллеров: 5 лучших аудиокниг легендарного Джона Маррса

Отправляемся в мир историй, леденящих душу!

Maxim
«Среди взрослых куча злых — зачем детям их уважать?»: монолог режиссера Бориса Хлебникова «Среди взрослых куча злых — зачем детям их уважать?»: монолог режиссера Бориса Хлебникова

Режиссер Борис Хлебников — о том, как не давить на детей

Psychologies
Ожерелье городов Ожерелье городов

Зарайск, Серпухов и Дмитров – три старинных самобытных города

Отдых в России
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
Целый зоопарк: необычные домашние питомцы звезд — осел, обезьяна и даже свинья Целый зоопарк: необычные домашние питомцы звезд — осел, обезьяна и даже свинья

Эти звезды проявили фантазию при поиске питомца

VOICE
«Тайны души» «Тайны души»

Социальная и культурная история психоанализа

N+1
Как найти настоящую любовь: 3 полезные мысли — впустите это чувство в вашу жизнь Как найти настоящую любовь: 3 полезные мысли — впустите это чувство в вашу жизнь

Любить и быть любимыми хотят все. Но как обрести заветное чувство?

Psychologies
Открыть в приложении