ギターの音楽から犬の鳴き声まで、すべての音は機械的な波を通じて私たちの周囲の空間に伝わります。波は空気や波が移動する物質媒体を圧縮したり減圧したりするため、私たちはその波を聞くのです。
これは、銅板、氷、ダイヤモンドのように、原子が三次元に周期的に配置されている固体である結晶固体内で原子の振動が行うことと似ています。
原子の地下世界では、量子粒子の音は、ギターの弦や犬の鳴き声とは異なる種類の法則に従っています。原子の動きによって生じるこれらの波によって輸送されるエネルギーは、量子力学の法則に従い、エネルギーのパケットまたは量子を通じてエネルギーを伝達する必要があります。
フォノンのナノ世界
壁から人体、爪から心臓細胞に至るまで、顕微鏡で見るとあらゆる物質は原子で構成されており、結合して特定の形状を獲得します。分子は安定した電気的に中性の原子の組み合わせです。
結晶固体では、原子が均一な繰り返し構造で規則正しく配置されています。私たちは、原子がノードに固定されているネットワークを想像できます。原子は決して静止せず、平衡位置の周りで振動するという特徴があります。 「この瞬間に交響曲が始まります」と、CUNE の定量的手法の博士号を取得し、CUNEF の契約教授であるグロリア・アネモネは言います。
これらの原子間の結合は本質的にバネのように動作し、移動すると波が結晶全体に伝播すると考えられます。しかし、もちろん、この波を量子力学の目で見れば、波動粒子の二重性の原理により、粒子としても見えるでしょう。
次にフォノンが現れ、電子などの他の粒子と相互作用しながら結晶中を移動します。この相互作用は、たとえば特定の条件下で、超伝導などの興味深い現象を引き起こします。
フォノンという言葉は、音や声を意味するギリシャ語のフォノスに由来しています。フォノンは、結晶格子内の数十億個の原子の集合振動から現れる量子オブジェクトです。それは準粒子または集団励起として分類されます。
孤立して独立して存在できる電子や原子などの粒子とは異なり、準粒子は、それが出現する系の外にはそれ自体の存在がありません。私たちは自由電子を持っているかもしれませんが、フォノンは物質の集団的挙動の現れとしてのみ存在します。彼らは集団的な性質を持っているため、存在するには興奮した環境が必要です。サウンドが必要なときに。
結晶構造が失われ、アモルファス物質の世界に入ると、フォノンの平均自由行程が非常に小さくなり、波が伝播しにくくなります。これらの非晶質材料には調和がありません。それは、各ミュージシャンが異なる曲を演奏するオーケストラのようなものです。
フォノンと熱伝導率
フォノンの最も重要な機能の 1 つは、材料、特に非金属の熱伝導率に与える影響です。これは、金属では電子が熱伝導率に大きな影響を与えるためです。
材料が加熱されると、熱エネルギーが原子に吸収され、より激しく振動し始めます。これらの振動はフォノンの形で材料中を伝播し、材料のある部分から別の部分に熱エネルギーを伝達します。
一般に、フォノンが多くの障害物（材料内の欠陥、不純物、エッジ）なしで材料中を移動できる場合、熱伝導率は増加します。そしてもちろん、フォノンがあまりない場合です。
また、フォノンが互いに衝突して熱伝導率が低下することもあります。これは、温度が上昇しても導電率は増加しないことを意味します。それは材料、その構造、純度、寸法に応じて最大値にのみ達することができます。
木材やポリマーなどの断熱材料が必要か、それともダイヤモンドなどの良導体が必要かに応じて、適切な材料を選択するには、熱伝導率の知識が不可欠です。
より良い未来のためのフォノン
これらの準粒子の世界を探索することで、音の伝播と材料の熱伝導率を支配する謎、およびフォノンが材料の電子特性にどのような影響を与えるのかを明らかにすることができます。
この段階は、ナノテクノロジーから最先端のエレクトロニクスに至るまで、新技術の開発の基礎となります。そして今、私たちは物質の深層にも音楽があることを発見することができました。
ニュース参照:
会話。 「 フォノン：量子世界の音」。 2024年。
