В физике, что такое фонон?

Фонон - это количество энергии, находящейся в вибрации. Они присутствуют во всех активно вибрирующих объектах, таких как кристаллы кварца. Один из способов рассмотреть фонон - это резонирующая частица внутри волны. Так же, как «фотон» - это квантовая частица в световой волне, фонон - это частица в звуковой волне. Термин «фонон» происходит от греческого слова «телефон», что означает «звук или голос».

Российскому физику Игорю Тамму приписывают первое теоретическое обоснование концепции фононов. С тех пор как эта концепция была введена в 1932 году, эти величины были включены в раздел физики, известный как квантовая механика. Они являются частью новых и продолжающихся исследований в области физики. Фонон часто классифицируется как «квазичастица» или «коллективное возбуждение», что обычно означает, что он может наблюдаться как явление, но не может быть выделен как отдельный физический объект.

Фононы не ведут себя как независимые частицы, а взаимодействуют с другими фононами внутри объекта. Это взаимодействие заставляет группы фононов образовывать цепочки или решетчатые структуры. Один фонон способен передавать свою энергию следующему в цепи. Длинная решетка или группа из них способны передавать непрерывную энергию в форме электричества или тепла.

Понимание поведения фононов рассматривается многими специалистами по термодинамике как ключ к созданию очень эффективных проводящих или изоляционных материалов. Высокая проводимость важна в области информатики и накопления энергии, а экстремальная изоляция полезна для защитных материалов. Исследования продолжаются, поскольку некоторые ученые считают, что полезные материалы могут быть получены в результате изучения того, как фононы работают и взаимодействуют.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) создали один такой материал в 2010 году. Эксперты MIT соединили несколько слоев различного кристаллического материала в шаблон, разработанный для отражения фононов. Во время эксперимента кристаллический материал успешно остановил движение фононов и заставил их отражаться или «подпрыгивать» обратно в противоположном направлении.

Фононные исследования могут привести к развитию практических разработок в будущем. Некоторые примеры изобретений, которые возможны при манипулировании фононами, включают в себя защитное тепловое экранирование для космических кораблей, превосходную изоляцию для морозных холодных сред и коллекторы энергии для переносных устройств. Успешные манипуляции могут привести к научным прорывам, подобным быстрому росту твердотельной электроники, такой как транзисторы, во второй половине 20-го века.