Большая советская энциклопедия - 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 = wn(k), где индекс n = 1,2,..., 3 r (r – число атомов в элементарной ячейке кристалла) обозначает тип колебания (см. Колебания кристаллической решетки). 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 nкn следует трактовать как число Ф. Различают акустический и оптический Ф.; для акустического Ф. при р ® 0 E = sp, где s – скорость звука; для оптического Ф. при р ® 0 Emin ? 0 (у простых кристаллов с r = 1 оптического Ф. нет). Ф. 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 Ф. 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 решетки. Такие столкновения называются процессами переброса, в отличие от нормальных столкновений (b = 0). Возможность процесса переброса – следствие периодичности в расположении атомов кристалла. Среднее число Ф. 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 Nф > Ф. в кристалле не сохраняется, а зависит от температуры. Для всех твердых тел Nф Фонон T3 при Т ® 0 и Nф Фонон Т при Т >> Qд (Qд – Дебая температура). Понятие Ф. позволяет описать тепловые и др. свойства кристаллов, используя методы кинетической теории газов. Ф. в большинстве случаев представляют собой главный тепловой резервуар твердого тела. Теплоемкость кристаллического твердого тела практически совпадает с теплоемкостью газа Ф. Теплопроводность кристалла можно описать как теплопроводность газа Ф., теплосопротивление которого обеспечивается процессами переброса. Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с Ф. – 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. возбужденными атомами и молекулами тел обеспечивает возможность безызлучательных электронных переходов (см. Релаксация). В релаксационных процессах в твердых телах Ф. обычно служат стоком для энергии, запасенной 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 решеточная) температура может отличаться от температуры др. квазичастиц (электронов проводимости, магнонов, экситонов). В аморфных (стеклообразных) телах понятие Ф. удается ввести только для длинноволновых акустических колебаний, мало чувствительных к взаимному расположению атомов. Ф. называются также элементарные возбуждения в сверхтекучем гелии, описывающие колебательное движение квантовой жидкости (см. Сверхтекучесть). Лит.: 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.