Фононы

Вам доводилось когда-нибудь ударять железной палкой по железной трубе или рельсу? Или, возможно, бить в колокол? Если да, то вам хорошо знакомо ощущение, когда кусок металла начинает вибрировать (а вместе с ним вибрирует все окружающее пространство, включая вас самих). Обычно эти вибрации имеют частоту, соответствующую звуковому диапазону - именно поэтому мы слышим гул колокола или звон удара молота по наковальне. Акустическое колебание распространяется по твердому телу как волна, но внимательное наблюдение показывает, что у этой волны имеется ряд свойств частицы: звуковые волны в твердом теле могут сталкиваться друг с другом и ударяться друг о друга, они квантуются, то есть возникают, изменяются и исчезают фиксированными порциями. Звуковые колебания в твердых телах ведут себя как типичные объекты микромира со всеми положенными таким объектам атрибутами: вероятностным характером движения, корпускулярно-волновым дуализмом и так далее. И описать их поведение легче всего и точнее всего, если принять, что они являются частицами микромира. Эти частицы получили название фононов. Может показаться, что фонон - чисто умозрительная концепция. Ведь мы прекрасно понимаем, что никаких частиц в куске металла от удара по нему другим куском металла не возникает. На самом деле, если посмотреть внимательнее, все далеко не так однозначно. Фонон ведет себя как обычная квантовая частица во всех отношениях. Любая попытка экспериментально проверить, существует ли фонон, приводит нас к ответу "да". А "если что-то выглядит как утка, плавает как утка и крякает как утка, то это, вероятно, утка и есть". Впрочем, одно отличие от таких квантовых частиц как электроны или протоны у фононов все-таки имеется: они не существуют вне твердого тела. Поэтому физики называют фононы квази-частицами.

Звук, извлекаюмый любым музыкальным инструментом, тоже обязан своим существованием фононам, возникающим в струне фортепиано, гитары или скрипки, медной поверхности духовых инструментов или коже барабана. Однако роль фононов не сводится к одному лишь образованию звука. Фононы несут ответственность за еще, как минимум, два важных явления. Первое из них - теплопередача в изоляторах.

То, что тепло легко распространяется в металлах, достаточно легко объяснимо. В металле, в силу особенностей связи между его атомами, всегда имеется достаточное количество свободно движущихся электронов. Если вы обжигаете губы, поднеся ко рту горячую от чая или супа металлическую ложку, то это происходит только потому, что электроны в той части ложки, которая была в контакте с супом, получили от него порцию энергии в виде тепла, "забегали быстрее" (повысили свою кинетическую энергию), от этого легче достигли противоположного конца ложки, разбавили собой тамошние медленные ("холодные") электроны и подняли общую температуру холодного конца ложки, потому что температура есть не что иное как мера средней кинетической энергии частиц. Но почему тогда греется деревянная или пластиковая ложка? Хотя, конечно, намного медленнее, чем металлическая. В изоляторах тепло не может переноситься электронами, поскольку в этих веществах просто нет свободных электронов. Оказывается, все дело в фононах. Именно они являются теми частицами, которые переносят тепло в дереве, пластмассе и других изоляторах.

Другое явление, существующее благодаря фононам - это электрическое сопротивление в металлах. По идее, металлы, в которых имеется большое количество свободных электронов, должны проводить электрический ток с существенно меньшими потерями, чем те, которые измеряются экспериментально. Оказывается, фононы, распространяющиеся в металле хаотически, обмениваются энергией с движущимимся электронами и "сбивают их с пути", повышая таким образом сопротивление электрическому току.

Какое отношение имеют фононы к наносостоянию? Да очень простое: размер (длина волны) акустического фонона - как правило, 0.2 - 2 нанометра. Значит, важнейшие явления передачи энергии по твердому телу происходят в нанометровом диапазоне.