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聲子
本詞條是多義詞，共3個(gè)義項(xiàng)
物理名詞
在固體物理學(xué)的概念中，結(jié)晶態(tài)固體中的原子或分子是按一定的規(guī)律排列在晶格上的。在晶體中，原子間有相互作用，原子并非是靜止的，它們總是圍繞著其平衡位置在做不斷的振動(dòng)。另一方面，這些原子又通過(guò)其間的相互作用力而聯(lián)系在一起，即它們各自的振動(dòng)不是彼此獨(dú)立的。原子之間的相互作用力一般可以很好地近似為彈性力。
基本信息
| 中文名 | 聲子 |
| 外文名 | phonon |
| 定義 | 晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模能量 量子 |
| 適用領(lǐng)域 | 固體物理學(xué) |
| 聲子晶體 | 存在彈性波帶隙 |
概述
聲子就是“晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模能量量子”。英文是phonon。另一方面，這些原子又通過(guò)其間的相互作用力而連系在一起，即它們各自的振動(dòng)不是彼此獨(dú)立的。原子之間的相互作用力一般可以很好地近似為彈性力。形象地講，若把原子比作小球的話，整個(gè)晶體猶如由許多規(guī)則排列的小球構(gòu)成，而小球之間又彼此由彈簧連接起來(lái)一般，從而每個(gè)原子的振動(dòng)都要牽動(dòng)周圍的原子，使振動(dòng)以彈性波的形式在晶體中傳播。這種振動(dòng)在理論上可以認(rèn)為是一系列基本的振動(dòng)（即簡(jiǎn)正振動(dòng)）的疊加。當(dāng)原子振動(dòng)的振幅與原子間距的比值很小時(shí)（這在一般情況下總是固體中在定量上高度正確的原子運(yùn)動(dòng)圖象），如果我們?cè)谠诱駝?dòng)的勢(shì)能展開(kāi)式中只取到平方項(xiàng)的話（這即所謂的簡(jiǎn)諧近似），那么，這些組成晶體中彈性波的各個(gè)基本的簡(jiǎn)正振動(dòng)就是彼此獨(dú)立的。換句話說(shuō)，每一種簡(jiǎn)正振動(dòng)模式實(shí)際上就是一種具有特定的頻率ν、波長(zhǎng)λ和一定傳播方向的彈性波，整個(gè)系統(tǒng)也就相當(dāng)于由一系列相互獨(dú)立的諧振子構(gòu)成。在經(jīng)典理論中，這些諧振子的能量將是連續(xù)的，但按照量子力學(xué)，它們的能量則必須是量子化的，只能取hν的整數(shù)倍，即
（其中
為零點(diǎn)能）。這樣，相應(yīng)的能態(tài)E就可以認(rèn)為是由n個(gè)能量為hν的“激發(fā)量子”相加而成。而這種量子化了的彈性波的最小單位就叫聲子。
聲子譜實(shí)例
聲子[物理名詞]
因此，聲子用來(lái)描述晶格的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，是固體理論中很重要的一個(gè)概念。按照量子力學(xué)，物體是由大量的原子構(gòu)成，每種原子又都含有原子核和電子，因此固體內(nèi)存在原子核之間的相互作用、電子間的相互作用還有原子核與電子間的相互作用。電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用密度泛函理論得到，那么原子核的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就用聲子來(lái)描述。當(dāng)然這兩個(gè)理論（密度泛函和聲子）都是近似的，因?yàn)榻馕龅膰?yán)格解到目前為止還沒(méi)有得到。而要嚴(yán)格地按照多體理論來(lái)描述這么大量的原子和電子組成的系統(tǒng)，無(wú)論解析還是數(shù)值模擬都是一個(gè)未知數(shù)。
聲子是簡(jiǎn)諧近似下的產(chǎn)物，如果振動(dòng)太劇烈，超過(guò)小振動(dòng)的范圍，那么晶格振動(dòng)就要用非簡(jiǎn)諧振動(dòng)理論描述。
聲子并不是一個(gè)真正的粒子，聲子可以產(chǎn)生和消滅，有相互作用的聲子數(shù)不守恒，聲子動(dòng)量的守恒律也不同于一般的粒子，并且聲子不能脫離固體存在。聲子只是格波激發(fā)的量子，在多體理論中稱為集體振蕩的元激發(fā)或準(zhǔn)粒子。
晶體
聲子晶體
類似于光子在光子晶體中的傳播，彈性波在聲子晶體中傳播時(shí)，受其內(nèi)部周期結(jié)構(gòu)的作用，形成特殊的色散關(guān)系（能帶結(jié)構(gòu)），色散關(guān)系曲線之間的頻率范圍稱為帶隙。
理論上，帶隙頻率范圍的彈性波傳播被抑制，而其它頻率范圍（通帶）的彈性波將在色散關(guān)系的作用下無(wú)損耗地傳播。當(dāng)聲子晶體的周期結(jié)構(gòu)存在缺陷時(shí)，帶隙頻率范圍內(nèi)的彈性波將被局限在缺陷處，或沿缺陷傳播。因此，聲子晶體可用于控制彈性波的傳播，在新型聲學(xué)器件、減振降噪領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
在聲子晶體中，與彈性波傳播相關(guān)的密度和彈性常數(shù)不同的材料按結(jié)構(gòu)周期性復(fù)合在一起，分布在格點(diǎn)上相互不連通的材料稱為散射體，連通為一體的背景介質(zhì)材料稱為基體。聲子晶體按其周期結(jié)構(gòu)的維數(shù)可分為一維、二維和三維.
理想的聲子晶體模型一般認(rèn)為在非周期方向上具有無(wú)限尺寸，這種假設(shè)只有在波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于非周期方向尺寸時(shí)才合理。由于固體中彈性波傳播速度較快，實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的梁、板等結(jié)構(gòu)均不能滿足這一條件，因此，研究非周期方向上為有限尺寸的周期結(jié)構(gòu)更有實(shí)際意義。為了區(qū)別于一維、二維理想聲子晶體，可將這類周期結(jié)構(gòu)稱為聲子晶體結(jié)構(gòu)。研究表明，聲子晶體梁板類結(jié)構(gòu)同樣具有帶隙特性。
發(fā)射
英文名稱：Acoustic Emission，AE
中文名稱：聲子發(fā)射
日文名稱：（えいい一），アコースティックエミッション
說(shuō)明：在材料裂紋的端部，隨裂紋的擴(kuò)展，會(huì)發(fā)射出各種頻率的彈性波，它被稱之為聲（子）發(fā)射。用壓電變換元件檢測(cè)此時(shí)發(fā)出的彈性波，可測(cè)定有無(wú)裂紋以及斷裂的開(kāi)始，斷裂源的位置等。
散射
計(jì)算機(jī)模擬的聲子
當(dāng)晶體中的載流子運(yùn)動(dòng)時(shí)，即會(huì)遭受到熱振動(dòng)原子的散射（靜止原子并不散射載流子），它們交換能量將以?ωq為單元進(jìn)行，若電子從晶格振動(dòng)獲得?ωq能量，就稱為吸收一個(gè)聲子；若電子交給晶格?ωq能量，就稱為發(fā)射一個(gè)聲子。這種作用可采用載流子與聲子的散射來(lái)描述，即稱為 聲子散射。
系統(tǒng)中聲子的數(shù)目與溫度有關(guān)：因?yàn)闇囟仍礁?，晶格振?dòng)就越劇烈，其能量量子數(shù)目就越多，即聲子數(shù)也就越多。因此隨著溫度的上升，聲子散射載流子的作用也就越顯著。
聲子散射過(guò)程
如果聲子的動(dòng)量發(fā)生了變化，正如右圖的U-Process所示：
除了三聲子散射過(guò)程之外，還存在著雜質(zhì)散射和邊界散射，都會(huì)影響材料的熱導(dǎo)率。
曳引效應(yīng)
概念
當(dāng)聲波（縱波）在晶體中傳播時(shí)，將造成晶體原子密度發(fā)生波動(dòng)式的疏密變化——疏密波，并從而在晶體中產(chǎn)生額外的周期性勢(shì)場(chǎng)波（該勢(shì)場(chǎng)波的周期與聲波相同）。在
等原子半導(dǎo)體中，聲波所產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)波就是畸變勢(shì)周期性勢(shì)場(chǎng)（這種勢(shì)場(chǎng)波的波幅較小）；而在壓電半導(dǎo)體中，聲波所產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)波就是壓電周期性電勢(shì)場(chǎng)（這種勢(shì)場(chǎng)波的波幅很大）。因?yàn)樵诰w中的聲波實(shí)際上與晶格振動(dòng)的長(zhǎng)聲學(xué)波在本質(zhì)上是相同的，因此也可以把聲波量子化為聲子（晶格振動(dòng)的能量子可以稱為是“熱聲子”）。從而聲波在晶體中所產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)波可以認(rèn)為就是聲子的作用效果——聲子勢(shì)場(chǎng)波。在晶體中存在聲子勢(shì)場(chǎng)波時(shí)，如果晶體電子的平均自由程比聲波的波長(zhǎng)（
）要?。?/span>q為聲子的波數(shù)），則電子會(huì)不斷遭受聲子散射而損失能量，從而電子將被聲子勢(shì)場(chǎng)波的波谷所俘獲。在電子被聲子勢(shì)場(chǎng)波俘獲的情況下，當(dāng)聲波在晶體中傳播時(shí)，電子即被聲子勢(shì)場(chǎng)波牽引著向前，這就是所謂聲子曳引效應(yīng)。如圖所示。由于聲子勢(shì)場(chǎng)波的波幅越大，聲子曳引的作用也就越強(qiáng)，所以在壓電半導(dǎo)體中的聲子曳引效應(yīng)較顯著。同時(shí)，超聲波也可以產(chǎn)生幅度較大的周期勢(shì)場(chǎng)波，所以超聲波牽引電子的作用也較強(qiáng)。
效果
聲子[物理名詞]
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