Vrftsjtryk

Ein Phonon ist die elementare Anregung (Quant) des elastischen Feldes. In der Festkörperphysik beschreiben Phononen elementare bzw. kollektive Anregungen der Gitterschwingungen eines Festkörpers und können als bosonische Quasiteilchen verstanden werden.

Der Begriff Phonon (nach griechisch φωνή .mw-parser-output .Latn{font-family:"Akzidenz Grotesk","Arial","Avant Garde Gothic","Calibri","Futura","Geneva","Gill Sans","Helvetica","Lucida Grande","Lucida Sans Unicode","Lucida Grande","Stone Sans","Tahoma","Trebuchet","Univers","Verdana"}phonē, deutsch ‚Klang‘) wurde in Analogie zu den Schwingungsquanten des elektromagnetischen Feldes, den Photonen, gewählt und zum ersten Mal von J. I. Frenkel 1932 in seinem Buch Wave Mechanics, Elementary Theory verwendet.^[1]

Schwingungsmoden |

Vergleich von optischen und akustischen Transversalwellen von Phononen bei 2-atomiger Basis für kleine k.

longitudinal-akustische Mode

In einem dreidimensionalen Kristall mit N{displaystyle N} Atomen in der primitiven Basis existieren zu jedem mit der Kristallsymmetrie verträglichen Wellenvektor 3N{displaystyle 3N} mögliche Schwingungsmoden: 3{displaystyle 3} akustische (davon eine longitudinal und zwei transversal) und (3N−3){displaystyle (3N-3)} optische:

• 
  Akustische Phononen (auch als Schallquanten bezeichnet) sind die Quanten der Schallwellen, die sich durch das Kristallgitter fortpflanzen. Im Zentrum der Brillouin-Zone bewegen sich benachbarte Atome gleichsinnig.


• Dagegen bewegen sich bei optischen Phononen die Atome innerhalb der Basis gegeneinander. Die Bezeichnung „optisch“ beruht darauf, dass die Schwingungsfrequenzen optischer Phononen oft im Bereich des infraroten oder sichtbaren Lichts liegen.

Die Benennung optische Phononen erfolgt dabei unabhängig davon, ob die Phononen tatsächlich in dem Sinne optisch aktiv sind, dass Phononen mit einem Photon wechselwirken:^[2] Wechselwirkungen mit Photonen sind dabei nicht nur, dass ein Phonon erzeugt werden kann, indem ein Photon absorbiert wird, oder dass umgekehrt ein Photon emittiert werden kann, indem ein Phonon vernichtet wird. Vielmehr gibt es auch Wechselwirkungen eines Photons mit zwei Phononen und eine Elektron-Photon-Phonon-Wechselwirkung.^[3] Optisch aktiv können Phononen nur dann sein, wenn innerhalb der Basis elektrische Polarisation vorliegt, was im Allgemeinen genau dann der Fall ist, wenn die Basis aus verschiedenen Atomen aufgebaut ist. Kristalle, die mit infraroten Photonen wechselwirken, nennt man infrarot-aktiv. Beispiele für solche Gitter sind Ionengitter, zum Beispiel in Natriumchloridkristallen.

Das Modell der Gitterschwingungen setzt eine kristalline Ordnung voraus. Auch amorphe Festkörper wie Gläser zeigen Schwingungen der Atome untereinander, man bezeichnet diese aber nicht als phononische Schwingungen. Für langwellige akustische Schwingungen ist der Einfluss der Unordnung gering.

Anregungsenergie und Statistik |

Betrachtet man harmonische Gitterschwingungen im reziproken Raum, erhält man entkoppelte Oszillationen im Impulsraum (Normalschwingungen). Die Energiezustände εn{displaystyle varepsilon _{n}} dieser Oszillationen sind die Niveaus eines harmonischen Oszillators nach

εn(k)=ℏ⋅ω(k)⋅(n+12){displaystyle varepsilon _{n}(mathbf {k} )=hbar cdot omega (mathbf {k} )cdot left(n+{frac {1}{2}}right)}.

Darin ist die Frequenz ω{displaystyle omega } abhängig von der Schwingungsmode n{displaystyle n} und dem Wellenvektor k{displaystyle mathbf {k} }, siehe Dispersion.

Da Phononen zu den Bosonen zählen, berechnet sich die mittlere Besetzungszahl ⟨n⟩{displaystyle langle nrangle } im thermischen Gleichgewicht gemäß der Bose-Einstein-Verteilung als

⟨n⟩=1eℏ⋅ω/(kB⋅T)−1{displaystyle langle nrangle ={frac {1}{e^{hbar cdot omega /(k_{mathrm {B} }cdot T)}-1}}}

mit

• 
  ℏ{displaystyle hbar }: reduziertes Plancksches Wirkungsquantum
  


• 
  kB{displaystyle k_{mathrm {B} }}: Boltzmann-Konstante
  


• 
  T{displaystyle T}: absolute Temperatur.

Die Besetzungsstatistik ist vom chemischen Potential μ{displaystyle mu } unabhängig, weil die Teilchenzahl der Phononen keine Erhaltungsgröße ist.

Üblicherweise werden (wie oben) statistische Gemische von Zuständen mit bestimmter Phononenzahl (Fock-Zustände) verwendet. Wie Roy J. Glauber für Photonen 1963 zeigte, gibt es aber auch für Phononen so genannte kohärente Zustände mit unbestimmter Teilchenzahl, die sehr stark klassischen Gitterschwingungen ähneln. Während bei Fock-Zuständen der Erwartungswert der Auslenkung 0 ist, genügt er bei kohärenten Phononen-Zuständen der klassischen Zeitabhängigkeit von Gitterschwingungen.

Nachweis |

Die Phononendispersion, d. h. der Zusammenhang zwischen Energie und Impuls der Gitterschwingungen, kann durch die inelastische Neutronenstreuung, die inelastische Röntgenstreuung sowie durch die hochauflösende Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS) untersucht werden. Phononen mit kleinem Impuls, d. h. im Zentrum der Brillouin-Zone, können durch Raman-, Infrarot-Spektroskopie oder Brillouin-Streuung nachgewiesen werden. Die erste Phononen-Dispersionskurve wurde 1955 am Chalk River Reaktor von Bertram Brockhouse mit Neutronenstreuung an einem Aluminiumeinkristall aufgenommen.^[4]

Dispersion |

Die Dispersionsrelation gibt die Abhängigkeit der Energie bzw. Kreisfrequenz ω{displaystyle omega } vom Impuls bzw. Wellenzahl k{displaystyle k} an. Bei Phononen ergibt sich diese Beziehung aus der Newtonschen Bewegungsgleichung. Dazu nimmt man an, dass sich die Atome in einem periodischen Potential V{displaystyle V} befinden, in dem sie Schwingungen ausführen.

Zwei benachbarte Atome haben einen Phasenunterschied von ka{displaystyle ka}, wobei a{displaystyle a} der Abstand zweier benachbarter Atome in der Ruhelage ist. Ein Phasenunterschied von 2π{displaystyle 2pi } entspricht einem von Null; höhere Phasenunterschiede sind dementsprechend äquivalent mit einem Wert zwischen 0{displaystyle 0} und 2π{displaystyle 2pi }. Aus Symmetriegründen betrachtet man das Intervall zwischen −π{displaystyle -pi } und π{displaystyle pi }. Das entspricht k{displaystyle k}-Werten aus der ersten Brillouin-Zone, also k∈[−π/a,π/a]{displaystyle kin lbrack -pi /a,pi /arbrack }. Dadurch hat man alle physikalisch relevanten Wellenzahlen abgedeckt.

Akustische Moden |

Dispersionsrelation ω(k){displaystyle omega (k)}

Für das einfache Modell einer linearen Kette von Atomen, die durch Federn miteinander verbunden sind, lautet die Dispersionsrelation

ω(k)=2Cm|sin⁡(ka2)|{displaystyle omega (k)=2{sqrt {frac {C}{m}}}left|sin left({frac {ka}{2}}right)right|},

wobei C (in kg/s^2) die Federkonstante zwischen den zwei benachbarten Ebenen und m die Masse des Atoms ist.

Für niedrige Werte von k(ak≪1){displaystyle kleft(akll 1right)} lautet der Ausdruck näherungsweise

ω(k)≈aCm|k|=cs|k|{displaystyle omega (k)approx a{sqrt {frac {C}{m}}}|k|=c_{mathrm {s} }|k|}.

cs{displaystyle c_{mathrm {s} }} ist die Schallgeschwindigkeit.
An den Zonengrenzen gilt

ω=2Cm=const.{displaystyle omega =2{sqrt {frac {C}{m}}}={text{const}}.}

Die Gruppengeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit des Energietransports im Medium, ergibt sich zu

vg=dωdk=Ca2mcos⁡(ka2){displaystyle v_{mathrm {g} }={frac {mathrm {d} omega }{mathrm {d} k}}={sqrt {frac {Ca^{2}}{m}}}cos left({frac {ka}{2}}right)}.

Am Zonenrand ist die Gruppengeschwindigkeit Null: Die Welle verhält sich wie eine stehende Welle.

Optische Moden |

Optische Äste existieren nur bei einer mehratomigen Basis. Die Formel beschreibt die Dispersionsrelation für das Modell einer linearen Kette mit zwei unterschiedlichen Atomen, welche die Massen m1{displaystyle m_{1}} und m2{displaystyle m_{2}} haben. Die Kraftkonstante C{displaystyle C} bleibt konstant. Es ergibt sich^[5][6]

ω2(k)=C(m1+m2)m1⋅m2[1+1−4m1⋅m2(m1+m2)2⋅sin2⁡(ka2)]{displaystyle omega ^{2}(k)={frac {C(m_{1}+m_{2})}{m_{1}cdot m_{2}}}left[1+{sqrt {1-{frac {4m_{1}cdot m_{2}}{(m_{1}+m_{2})^{2}}}cdot sin ^{2}left({frac {ka}{2}}right)}},right]}

und damit näherungsweise ω2≈2C(m1+m2)m1⋅m2{displaystyle omega ^{2}approx 2,{frac {C(m_{1}+m_{2})}{m_{1}cdot m_{2}}}} für den optischen Zweig.

Der optische Zweig ist normalerweise höherfrequenter als der akustische Zweig und nahezu dispersionslos. Der akustische Zweig entspricht in obiger Formel einem Minuszeichen vor der Wurzel.

Siehe auch |

• Kohn-Anomalie

Literatur |

• Charles Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. Oldenbourg, 2002


• Michael A. Stroscio, Mitra Dutta: Phonons in nanostructures. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2005, ISBN 978-0-521-01805-0.

Weblinks |

 Commons: Phonon – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Einführende Darstellung zu Phononen und kohärenten Phononen bei der linearen Kette

Einzelnachweise |

1. 
   ↑ Jakow Iljitsch Frenkel: Wave Mechanics. Elementary Theory. Clarendon Press, Oxford 1932.
   


2. 
   ↑ Der Begriff optisch aktiver Phononen ist dabei auch vom Begriff der optischen Aktivität von durchsichtigen Materialien zu unterscheiden.
   


3. 
   ↑ Udo Scherz: Vorlesungsskript „Theoretische Optik“, WS 2012, Kapitel 6.3 (PDF)
   


4. 
   ↑ B.N. Brockhouse, A.T. Stewart: Scattering of Neutrons by Phonons in an Aluminum Single Crystal. In: Physical Review. 100, 1955, S. 756. doi:10.1103/PhysRev.100.756.
   


5. 
   ↑ Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 5. Auflage. Oldenbourg, 1980, S. 134 ff.
   


6. 
   ↑ Ibach, Lüth: Festkörperphysik. Springer 1990, S. 57