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聲子
本詞條是多義詞，共3個(gè)義項
物理名詞
在固體物理學(xué)的概念中，結晶態(tài)固體中的原子或分子是按一定的規律排列在晶格上的。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(zhù)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(huà)，整個(gè)晶體猶如由許多規則排列的小球構成，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?chē)脑樱拐駝?dòng)以彈性波的形式在晶體中傳播。這種振動(dòng)在理論上可以認為是一系列基本的振動(dòng)（即簡(jiǎn)正振動(dòng)）的疊加。當原子振動(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動(dòng)圖象），如果我們在原子振動(dòng)的勢能展開(kāi)式中只取到平方項的話(huà)（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)就是彼此獨立的。換句話(huà)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(cháng)λ和一定傳播方向的彈性波，整個(gè)系統也就相當于由一系列相互獨立的諧振子構成。在經(jīng)典理論中，這些諧振子的能量將是連續的，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的整數倍，即
（其中
為零點(diǎn)能）。這樣，相應的能態(tài)E就可以認為是由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成，每種原子又都含有原子核和電子，因此固體內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。電子的運動(dòng)規律可以用密度泛函理論得到，那么原子核的運動(dòng)規律就用聲子來(lái)描述。當然這兩個(gè)理論（密度泛函和聲子）都是近似的，因為解析的嚴格解到目前為止還沒(méi)有得到。而要嚴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，無(wú)論解析還是數值模擬都是一個(gè)未知數。
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(chēng)為集體振蕩的元激發(fā)或準粒子。
晶體
類(lèi)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)，受其內部周期結構的作用，形成特殊的色散關(guān)系（能帶結構），色散關(guān)系曲線(xiàn)之間的頻率范圍稱(chēng)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。當聲子晶體的周期結構存在缺陷時(shí)，帶隙頻率范圍內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)的密度和彈性常數不同的材料按結構周期性復合在一起，分布在格點(diǎn)上相互不連通的材料稱(chēng)為散射體，連通為一體的背景介質(zhì)材料稱(chēng)為基體。聲子晶體按其周期結構的維數可分為一維、二維和三維.
理想的聲子晶體模型一般認為在非周期方向上具有無(wú)限尺寸，這種假設只有在波長(cháng)遠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)際工程中廣泛應用的梁、板等結構均不能滿(mǎn)足這一條件，因此，研究非周期方向上為有限尺寸的周期結構更有實(shí)際意義。為了區別于一維、二維理想聲子晶體，可將這類(lèi)周期結構稱(chēng)為聲子晶體結構。研究表明，聲子晶體梁板類(lèi)結構同樣具有帶隙特性。
發(fā)射
英文名稱(chēng)：Acoustic Emission，AE
中文名稱(chēng)：聲子發(fā)射
日文名稱(chēng)：（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，隨裂紋的擴展，會(huì )發(fā)射出各種頻率的彈性波，它被稱(chēng)之為聲（子）發(fā)射。用壓電變換元件檢測此時(shí)發(fā)出的彈性波，可測定有無(wú)裂紋以及斷裂的開(kāi)始，斷裂源的位置等。
散射
當晶體中的載流子運動(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(chēng)為吸收一個(gè)聲子；若電子交給晶格?ωq能量，就稱(chēng)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(chēng)為 聲子散射。
系統中聲子的數目與溫度有關(guān)：因為溫度越高，晶格振動(dòng)就越劇烈，其能量量子數目就越多，即聲子數也就越多。因此隨著(zhù)溫度的上升，聲子散射載流子的作用也就越顯著(zhù)。
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(zhù)雜質(zhì)散射和邊界散射，都會(huì )影響材料的熱導率。
曳引效應
概念
當聲波（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)生額外的周期性勢場(chǎng)波（該勢場(chǎng)波的周期與聲波相同）。在
等原子半導體中，聲波所產(chǎn)生的勢場(chǎng)波就是畸變勢周期性勢場(chǎng)（這種勢場(chǎng)波的波幅較小）；而在壓電半導體中，聲波所產(chǎn)生的勢場(chǎng)波就是壓電周期性電勢場(chǎng)（這種勢場(chǎng)波的波幅很大）。因為在晶體中的聲波實(shí)際上與晶格振動(dòng)的長(cháng)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(chēng)為是“熱聲子”）。從而聲波在晶體中所產(chǎn)生的勢場(chǎng)波可以認為就是聲子的作用效果——聲子勢場(chǎng)波。在晶體中存在聲子勢場(chǎng)波時(shí)，如果晶體電子的平均自由程比聲波的波長(cháng)（
）要小（q為聲子的波數），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場(chǎng)波的波谷所俘獲。在電子被聲子勢場(chǎng)波俘獲的情況下，當聲波在晶體中傳播時(shí)，電子即被聲子勢場(chǎng)波牽引著(zhù)向前，這就是所謂聲子曳引效應。如圖所示。由于聲子勢場(chǎng)波的波幅越大，聲子曳引的作用也就越強，所以在壓電半導體中的聲子曳引效應較顯著(zhù)。同時(shí)，超聲波也可以產(chǎn)生幅度較大的周期勢場(chǎng)波，所以超聲波牽引電子的作用也較強。
效果
聲子[物理名詞]
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