W fizyce, czym jest fonon?

Fonon to ilość energii występująca w wibracji. Są one obecne we wszystkich aktywnie wibrujących obiektach, takich jak kryształy kwarcu. Jednym ze sposobów rozważenia fononu jest cząstka rezonująca w fali. Tak jak „foton” jest cząsteczką kwantową w fali świetlnej, tak fonon jest cząsteczką w fali dźwiękowej. Termin „fonon” pochodzi od greckiego słowa „telefon”, co oznacza „dźwięk lub głos”.

Rosyjskiemu fizykowi Igorowi Tammowi przypisuje się pierwszą teorię koncepcji fononów. Od czasu wprowadzenia tej koncepcji w 1932 r. Wielkości te zostały zintegrowane z dziedziną fizyki znaną jako mechanika kwantowa. Są częścią pojawiających się i trwających badań w dziedzinie fizyki. Fonon jest często klasyfikowany jako „kwazicząstka” lub „wzbudzenie zbiorowe”, co ogólnie oznacza, że ​​można go zaobserwować jako zjawisko, ale nie jest specjalnie wydzielany jako pojedynczy obiekt fizyczny.

Fonony nie zachowują się jak niezależne cząsteczki, lecz oddziałują z innymi fononami w obiekcie. Ta interakcja powoduje, że grupy fononów tworzą łańcuchy lub struktury sieci. Jeden fonon jest w stanie przenieść swoją energię na następny w łańcuchu. Długa sieć lub ich grupa jest w stanie przenosić ciągłą energię w postaci elektryczności lub ciepła.

Zrozumienie zachowania fononów jest postrzegane przez wielu ekspertów termodynamicznych jako klucz do tworzenia bardzo wydajnych materiałów przewodzących lub izolujących. Wysoka przewodność jest ważna w dziedzinie informatyki i magazynowania energii, a ekstremalna izolacja jest przydatna w przypadku materiałów ochronnych. Badania trwają, ponieważ niektórzy naukowcy uważają, że przydatne materiały mogą być budowane w wyniku badania sposobu działania i interakcji fononów.

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) stworzyli jeden taki materiał w 2010 r. Eksperci MIT połączyli kilka warstw różnych materiałów krystalicznych we wzorze zaprojektowanym do odzwierciedlenia fononów. Podczas eksperymentu materiał krystaliczny skutecznie zatrzymał ruch fononów i spowodował ich odbicie lub „odbicie” z powrotem w przeciwnym kierunku.

Badania fononowe mogą prowadzić do rozwoju praktycznych rozwiązań w przyszłości. Niektóre przykłady wynalazków, które są możliwe poprzez manipulowanie fononami, obejmują ochronne osłony termiczne dla statków kosmicznych, doskonałą izolację do mrozów w niskich temperaturach oraz kolektory energii dla urządzeń przenośnych. Udana manipulacja może doprowadzić do przełomów naukowych podobnych do szybkiego wzrostu elektroniki półprzewodnikowej, takiej jak tranzystory, w drugiej połowie XX wieku.