Фонон

Фонон (от греч. phone – звук), квант колебательного движения атомов кристалла. Колебания атомов кристалла благодаря взаимодействию между ними распространяются по кристаллу в виде волн, каждую из которых можно охарактеризовать квазиволновым вектором k и частотой w, зависящей от k: w = w_n(k), где индекс n = 1,2,..., 3 r (r – число атомов в элементарной ячейке кристалла) обозначает тип колебания (см. Колебания кристаллической решётки). Согласно законам квантовой механики, колебательная энергия атомов кристалла может принимать значения, равные, где E₀ – энергия основного состояния, – Планка постоянная. Каждой волне можно поставить в соответствие квазичастицу – Ф. Энергия Ф. равна: , квазиимпульс р = k. Число n_кn следует трактовать как число Ф. Различают акустический и оптический Ф.; для акустического Фонона при р ® 0 E = sp, где s – скорость звука; для оптического Ф. при р ® 0 E_min ¹ 0 (у простых кристаллов с r = 1 оптического Ф. нет).

Фононы взаимодействуют друг с другом, с др. квазичастицами (электронами проводимости, магнонами и др.) и со статическими дефектами кристалла (с вакансиями, дислокациями, с границами кристаллитов, поверхностью образца, с чужеродными включениями). При столкновениях фононов выполняются законы сохранения энергии и квазиимпульса. Последний является более общим, чем закон сохранения импульса (см. Сохранения законы), т.к. суммарный квазиимпульс сталкивающихся квазичастиц, в частности Ф., может изменяться на величину 2pb, где b – вектор обратной решётки. Такие столкновения называются процессами переброса, в отличие от нормальных столкновений (b = 0). Возможность процесса переброса – следствие периодичности в расположении атомов кристалла.

Среднее число фононов определяется формулой Планка:

где T – температура, k – Больцмана постоянная. Эта формула совпадает с распределением частиц газа, подчиняющихся статистике Бозе – Эйнштейна, когда химический потенциал равен нулю (см. Статистическая физика). Равенство нулю химического потенциала означает, что число N_ф > Ф. в кристалле не сохраняется, а зависит от температуры. Для всех твёрдых тел N_ф ~ T³ при Т ® 0 и N_ф ~ Т при Т >> Q_д (Q_д – Дебая температура). Понятие Ф. позволяет описать тепловые и др. свойства кристаллов, используя методы кинетической теории газов. Фононы в большинстве случаев представляют собой главный тепловой резервуар твёрдого тела. Теплоёмкость кристаллического твёрдого тела практически совпадает с теплоёмкостью газа Ф. Теплопроводность кристалла можно описать как теплопроводность газа Ф., теплосопротивление которого обеспечивается процессами переброса.

Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с фононами – основной механизм электросопротивления металлов и полупроводников. Способность электронов проводимости излучать и поглощать Ф. приводит к притяжению электронов друг к другу, что при низких температурах является причиной перехода ряда металлов в сверхпроводящее состояние (см. Сверхпроводимость, Купера эффект). Излучение Ф. возбуждёнными атомами и молекулами тел обеспечивает возможность безызлучательных электронных переходов (см. Релаксация). В релаксационных процессах в твёрдых телах Ф. обычно служат стоком для энергии, запасённой др. степенями свободы кристалла, например электронными.

Среднюю энергию газа Ф. (как и др. квазичастиц) можно характеризовать величиной, подобной температуре обычного газа. Однако благодаря сравнительно слабой связи Ф. с др. квазичастицами фононная (или решёточная) температура может отличаться от температуры др. квазичастиц (электронов проводимости, магнонов, экситонов). В аморфных (стеклообразных) телах понятие Ф. удаётся ввести только для длинноволновых акустических колебаний, мало чувствительных к взаимному расположению атомов.

Фононами называются также элементарные возбуждения в сверхтекучем гелии, описывающие колебательное движение квантовой жидкости (см. Сверхтекучесть).

Литература:

• Займан Дж., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962;
• Косевич А. М., Основы механики кристаллической решетки, М., 1972;
• Рейсленд Дж., Физика фононов, пер. с англ., М., 1975.

М. И. Каганов.

Эта статья или раздел использует текст Большой советской энциклопедии.

---