background image

Fonony akustyczne 

 

Fonony to drgania atomów w sieci kryształu. Najłatwiej jest je wyprowadzić z sieci liniowej: 

 

 

Siła działająca na atom wychylony z położenia równowagi: 

x

F

α

=

,   gdzie 

α

 - stała siłowa 

Z II prawa dynamiki Newtona:  

a

m

F

w

=

 ← przyspieszenie = druga pochodna wychylenia po czasie: 

n

n

n

n

n

m

ξ

α

ξ

α

ξ

α

ξ

α

ξ

+

=

+

1

1

&

&

 

(

)

1

1

2

+

+

=

n

n

n

n

m

ξ

α

ξ

α

ξ

α

ξ

&

&

   -  

n

- te równanie, dotyczące wychylenia 

n

-tego atomu 

Równanie to jest skojarzone z równaniem 

1

n

  i  

1

+

n

Szukamy rozwiązania w postaci fali płaskiej: 

(

)

qna

t

i

n

Ae

=

ω

ξ

,    gdzie  

x

na

=

  to położenie atomu w sieci 

(

)

2

2

+

=

iqa

iqa

e

e

m

α

ω

 

(

)

2

cos

2

2

=

qa

m

α

ω

 

(

)

qa

m

cos

1

2

=

α

ω

 

Korzystamy z własności funkcji trygonometrycznych: 

x

x

x

x

x

x

2

cos

1

sin

2

sin

2

1

sin

cos

2

cos

2

2

2

2

=

=

=

 

2

sin

2

2

sin

4

2

qa

m

qa

m

=

=

α

α

ω

    -  jest to wyrażenie na dyspersję sieci 

 
Najkrótsza możliwa fala akustyczna, jaka może się rozchodzić w ciele stałym: 

a

2

min

=

λ

,   stąd  

a

q

π

λ

π

=

=

min

max

2

 

Dla małych 

α

:   

α

α

sin

       →   

uq

qa

m

=

=

α

ω

,    gdzie 

u

- prędkość dźwięku w krysztale 

Po skwantowaniu tego pola harmonicznego uzyskamy fonony – elementarne drgania atomów: 

Energia całkowita drgań:       

+

=

2

1

n

E

ω

h

  

-  okazuje się, że dla 

0

=

n

 występują drgania zerowe (atomy w sieci nie mogą być nieruchome) 

 
 

background image

 

Fonony optyczne 

 
Rozpatrujemy sieć, w której mamy po dwa atomy na węzeł: 

 

1

,

2

,

1

,

2

,

1

1

,

1

n

n

n

n

n

m

ξ

β

ξ

β

ξ

α

ξ

α

ξ

+

=

&

&

 

2

,

1

,

1

2

,

1

,

1

,

2

n

n

n

n

n

m

ξ

α

ξ

α

ξ

β

ξ

β

ξ

+

=

+

&

&

 

(

)

qna

t

i

n

Ae

=

ω

ξ

1

,

 

(

)

qna

t

i

n

Ae

=

ω

ξ

2

,

 

Dla obu atomów częstość i wektor falowy są takie same, różne są natomiast amplituda i faza. 
Otrzymujemy układ równań: 

+

=

+

=

B

Ae

B

A

B

m

A

B

A

Be

A

m

iqa

iqa

α

α

β

β

ω

β

β

α

α

ω

2

2

2

1

 

=

+

+

=

+

+

0

]

)

[(

)

(

0

)

(

]

)

[(

2

2

2

1

ω

β

α

α

β

β

α

ω

β

α

m

B

e

A

e

B

m

A

iqa

iqa

 

 
W zapisie macierzowym: 

=

+

+

+

+

0

0

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

2

1

B

A

m

e

e

m

iqa

iqa

ω

β

α

β

α

β

α

ω

β

α

 

 
Rozwiązanie nietrywialne istnieje wtedy, gdy wyznacznik macierzy 

0

 

0

)

)(

(

]

)

][(

)

[(

2

2

2

1

=

+

+

+

+

β

α

β

α

ω

β

α

ω

β

α

iqa

iqa

e

e

m

m

 

 
gdy przyjmiemy, że 

m

m

m

=

=

2

1

, ilość rozwiązań się nie zmieni, a za to równanie się uprości: 

 

0

)

cos

2

(

]

)

[(

2

2

2

2

=

+

+

+

qa

m

αβ

β

α

ω

β

α

 

 

 

 

 

 

2

δ

=

 

δ

ω

β

α

±

=

+

2

)

(

m

 

m

δ

β

α

ω

±

+

=

)

(

 

background image

 

Gdy    

0

=

q

,  

2

2

2

2

)

(

2

β

α

αβ

β

α

δ

+

=

+

+

=

 

m

)

(

2

,

0

β

α

ω

ω

+

=

=

+

 

Gdy     

a

q

π

=

,  

2

2

2

2

)

(

2

β

α

αβ

β

α

δ

=

+

=

 

m

m

α

ω

β

ω

2

,

2

=

=

+

 

 
Jak zinterpretować to rozwiązanie? 
 

 

 
Górna linia to drgania optyczne – atomy z jednego węzła wychylają się w przeciwne strony. 
Dolna linia – drgania akustyczne, w których atomy z jednego węzła wychylają się w tę samą stronę. 
 
Wśród tych drgań wyróżniamy jeszcze fale poprzeczne: 

1

T

 i 

2

T

,  oraz fale podłużne  L.  

Tworzą one tzw. gałęzie:  3 gałęzie akustyczne,  oraz  3(n-1) gałęzi optycznych.