Hace unos meses pregunté por los fonones . Obtuve algunas respuestas muy buenas, pero todavía tengo dificultades para obtener una intuición para los fonones, mientras que de alguna manera los fotones, que en muchos aspectos son similares y de los que me doy cuenta de que apenas entiendo nada, parecen más accesibles a la intuición.
En la respuesta de Ron Maimon a la pregunta "¿Qué es exactamente un cuanto de luz?" el afirma que
Un cuanto de luz de longitud de onda λ es la cantidad mínima de energía que se puede almacenar en una onda electromagnética en esa longitud de onda.
y
la onda clásica es una superposición de un gran número de fotones
Traduciendo esto a vibraciones en una red cristalina, ¿podríamos decir que un fonón es la cantidad mínima de energía que se puede almacenar en una vibración de red en un modo dado y que una vibración clásica es una superposición de una gran cantidad de fonones?
Espero estar en lo correcto cuando digo que el campo electromagnético puede interactuar con la materia a través de la absorción de un fotón, y es esta interacción la que convierte al fotón en algo parecido a una partícula. ¿Tenemos lo mismo para las interacciones de fonones? Es decir, cuando la vibración de un cristal interactúa con la materia, lo hace mediante la creación/destrucción de fonones completos a la vez, que también pueden absorberse en lugares más o menos precisos, por ejemplo, la energía de un solo fonón es absorbida por un electrón localizado.
Finalmente, me gustaría entender cómo el intercambio de fonones puede establecer efectivamente una fuerza de atracción entre electrones, pero tampoco puedo decir que tenga alguna intuición sobre cómo los fotones median la fuerza electromagnética. Me temo que por el momento esto está más allá del alcance de mi experiencia.
Aquí hay algunas respuestas prolijas y sin matemáticas.
un fonón es la cantidad mínima de energía que se puede almacenar en una vibración de red en un modo dado
Suena bien.
Es decir, cuando la vibración de un cristal interactúa con la materia, lo hace mediante la creación/destrucción de fonones completos a la vez, que también pueden absorberse en lugares más o menos precisos, por ejemplo, la energía de un solo fonón es absorbida por un electrón localizado.
Un fonón es un movimiento periódico de los átomos en un sólido, por lo que diría que siempre interactúa con la materia, ya que es materia en movimiento.
La localización de fonones es un asunto complicado. Las derivaciones de los libros de texto para los fonones dan como resultado vibraciones (ondas) que se extienden por todo el material. Sin embargo, por lo general se tratan como localizados.
Puede realizar cualquier función sumando ondas de diferentes longitudes de onda (las ondas forman una base), de modo que pueda construir "paquetes" de fonones localizados a partir de vibraciones reticulares de diferentes frecuencias. A diferencia de los fotones, los fonones tienen relaciones de dispersión no lineales, lo que significa que las ondas de diferentes frecuencias viajan a diferentes velocidades (a diferencia de la luz, donde todas las frecuencias viajan a la misma velocidad, al menos en el vacío), por lo que los paquetes eventualmente se desmoronarán si se dejan. solo. Sin embargo, pueden permanecer juntos el tiempo suficiente como para pensar que son partículas. Si las frecuencias en el paquete son de un rango estrecho, puede pensar que el paquete tiene una frecuencia igual a la frecuencia promedio de sus ondas constituyentes.
Esta localización tiene sentido si los electrones también están localizados. Si un electrón se dispersa con un fonón, y ese electrón está localizado, eso significa que el electrón solo interactúa realmente con los átomos cercanos. Por lo tanto, cualquier vibración de red que cree el electrón también debe localizarse inicialmente en esa región.
Debo agregar que una forma importante de dispersión de fonones es con otros fonones. Resulta que no puedes tener procesos de dos fonones (dos fonones chocando y creando otros dos fonones); solo puede tener procesos de tres fonones y más (por ejemplo, dos fonones se fusionan para crear un tercero). No tienes que pensar en estos procesos como localizados en el espacio.
Finalmente, me gustaría entender cómo el intercambio de fonones puede establecer efectivamente una fuerza de atracción entre electrones.
Los átomos en una red están cargados, por lo que pueden atraer electrones cercanos. Si varios átomos están tirando de un electrón, entonces los átomos están tirando efectivamente entre sí y se acercan. Si el electrón se mueve, puede dejar una estela de átomos que están más cerca (un fonón). Los átomos que están más juntos significan un cambio más positivo en un área, y eso a su vez puede atraer otro electrón, atrayendo efectivamente los electrones juntos.
Ver
Dganar
phonons superconductivity