Was ist ein Phonon in der Physik?
Ein Phonon ist eine Energiemenge, die sich in einer Schwingung befindet. Diese sind in allen Objekten vorhanden, die aktiv vibrieren, wie z. B. Quarzkristallen. Ein Weg, ein Phonon zu betrachten, besteht darin, ein resonierendes Teilchen innerhalb einer Welle zu sein. So wie ein "Photon" ein Quantenteilchen innerhalb einer Lichtwelle ist, ist ein Phonon ein Teilchen innerhalb einer Schallwelle. Der Begriff "Phonon" leitet sich vom griechischen Wort "Telefon" ab, was "Ton oder Stimme" bedeutet.
Dem russischen Physiker Igor Tamm wird zugeschrieben, zuerst das Konzept der Phononen theoretisiert zu haben. Seit der Einführung dieses Konzepts im Jahr 1932 sind diese Größen in den als Quantenmechanik bekannten Bereich der Physik integriert worden. Sie sind Teil der aufstrebenden und fortlaufenden Forschung in der Physik. Ein Phonon wird oft als "Quasiteilchen" oder "kollektive Erregung" klassifiziert, was im Allgemeinen bedeutet, dass es als Phänomen beobachtet, aber nicht spezifisch als einzelnes physisches Objekt extrahiert werden kann.
Phononen verhalten sich nicht wie unabhängige Teilchen, sondern interagieren mit anderen Phononen innerhalb eines Objekts. Diese Wechselwirkung bewirkt, dass Gruppen von Phononen Ketten oder Gitterstrukturen bilden. Ein Phonon kann seine Energie auf das nächste in der Kette übertragen. Ein langes Gitter oder eine Gruppe von diesen kann kontinuierliche Energie in Form von Elektrizität oder Wärme übertragen.
Das Verständnis des Verhaltens von Phononen wird von vielen Thermodynamik-Experten als Schlüssel zur Schaffung sehr effizienter leitender oder isolierender Materialien angesehen. Eine hohe Leitfähigkeit ist in den Bereichen Informatik und Energiespeicherung wichtig, während eine extreme Isolierung für Schutzmaterialien nützlich ist. Die Forschung wird fortgesetzt, da einige Wissenschaftler der Ansicht sind, dass nützliche Materialien als Ergebnis der Untersuchung der Funktionsweise und Interaktion von Phononen entstehen könnten.
Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben 2010 ein solches Material hergestellt. Die MIT-Experten kombinierten mehrere Schichten verschiedener Kristallmaterialien in einem Muster, das Phononen reflektieren soll. Während des Experiments stoppte das Kristallmaterial erfolgreich die Bewegung der Phononen und ließ sie in die entgegengesetzte Richtung reflektieren oder "zurückprallen".
Phonon-Forschung kann in Zukunft zur Entwicklung praktischer Entwicklungen führen. Einige Beispiele für Erfindungen, die durch Manipulation von Phononen möglich sind, umfassen eine schützende Wärmeabschirmung für Raumschiffe, eine hervorragende Isolierung für eiskalte Umgebungen und Energiesammler für tragbare Geräte. Erfolgreiche Manipulationen können zu wissenschaftlichen Durchbrüchen führen, ähnlich dem raschen Wachstum der Festkörperelektronik wie Transistoren in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts.