Фонон

Фоно́н

(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 ω, зависящей от k: ω = ων(k), где индекс ν = 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, η – Планка постоянная. Каждой волне можно поставить в соответствие квазичастицу (См. Квазичастицы) – Ф. Энергия Ф. равна: , квазиимпульс р = ηk. Число nкν 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 (См. Электрон проводимости), Магнонами и др.) и со статическими дефектами кристалла (с Вакансиями, дислокациями (См. Дислокации), 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 2πηb, 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 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 твёрдых тел (См. Твёрдое тело) Nф ~ T3 при Т → 0 и Nф ~ Т при Т >> Θд (Θд – Дебая температура). Понятие Ф. позволяет описать тепловые и др. свойства кристаллов, используя методы кинетической теории газов (См. Газы). Ф. 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 Ф. – основной механизм электросопротивления металлов (См. Металлы) и полупроводников (См. Полупроводники). 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.

Ф. называются также элементарные возбуждения в сверхтекучем гелии (См. Гелий), 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.