Wat is een Phonon in de natuurkunde?
Een fonon is een hoeveelheid energie die in een trilling wordt gevonden. Deze zijn aanwezig in alle objecten die actief trillen, zoals kwartskristallen. Een manier om een fonon te beschouwen is als een resonerend deeltje in een golf. Net zoals een "foton" een kwantumdeeltje is binnen een lichtgolf, is een phonon een deeltje binnen een geluidsgolf. De term 'fonon' is afgeleid van het Griekse woord 'telefoon', wat 'geluid of stem' betekent.
De Russische natuurkundige Igor Tamm wordt gecrediteerd voor het eerst theoretiseren van het concept van fononen. Sinds dit concept in 1932 werd geïntroduceerd, zijn deze hoeveelheden geïntegreerd in de tak van de fysica die bekend staat als de kwantummechanica. Ze maken deel uit van opkomend en doorlopend onderzoek in de natuurkunde. Een fonon wordt vaak geclassificeerd als een "quasipartikel" of "collectieve excitatie", wat in het algemeen betekent dat het kan worden waargenomen als een fenomeen, maar niet specifiek wordt geëxtraheerd als een individueel fysiek object.
Fononen gedragen zich niet als onafhankelijke deeltjes, maar werken in plaats daarvan samen met andere fononen in een object. Deze interactie zorgt ervoor dat groepen fononen ketens of roosterstructuren vormen. Het ene fonon kan zijn energie overdragen naar het volgende in de keten. Een lang rooster of een groep hiervan kan continue energie overbrengen in de vorm van elektriciteit of warmte.
Inzicht in het gedrag van fononen wordt door veel thermodynamische experts gezien als de sleutel tot het creëren van zeer efficiënte geleidende of isolerende materialen. Hoge geleidbaarheid is belangrijk op het gebied van informatica en energieopslag, terwijl extreme isolatie nuttig is voor beschermende materialen. Onderzoek gaat verder, omdat sommige wetenschappers geloven dat bruikbare materialen kunnen worden gebouwd als gevolg van het bestuderen van de manier waarop fononen werken en communiceren.
Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) creëerden in 2010 een dergelijk materiaal. De MIT-experts combineerden verschillende lagen van verschillend kristalmateriaal in een patroon dat is ontworpen om fononen te reflecteren. Tijdens het experiment stopte het kristalmateriaal met succes de beweging van fononen, en zorgde ervoor dat ze in de tegenovergestelde richting reflecteerden of "stuiterden".
Phonon-onderzoek kan in de toekomst leiden tot de ontwikkeling van praktische ontwikkelingen. Enkele voorbeelden van uitvindingen die mogelijk zijn door het manipuleren van fononen omvatten beschermende thermische afscherming voor ruimteschepen, superieure isolatie voor ijskoude omgevingen en energiecollectoren voor draagbare apparaten. Succesvolle manipulatie kan leiden tot wetenschappelijke doorbraken vergelijkbaar met de snelle groei van solid-state elektronica zoals transistoren in de tweede helft van de 20e eeuw.