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声子浅谈 定义及其物理含义初步 化工学院罗金 1 前言 2 前言 什么是声子 3 声子含义 声子 是晶格振动体结构集体激发的简正模能量量子 百度百科 是晶体中晶的准粒子 化学势为零 服从玻色 爱因斯坦统计 是一种玻色子 维基百科 简正振动 是一种最简单 最基本的振动 即分子中所有原子以相同频率和相同相位在平衡位置附近所作的简谐振动 准粒子 有点像粒子 但本质不是 它实际上式一种量子能 基于它具有可量度的空间坐标参数和动量值 被人们称为准粒子 玻色子 自旋状态为整数的粒子 其本征波函数对称 在玻色子的某一个能级上 可以容纳无限个粒子 服从玻色 爱因斯坦统计 粒子处于某一分布 nj 时 体系的总状态数为 4 声子含义 结晶态固体中的原子或分子是按照一定的规律排列在晶格上 在晶体中 原子并非静止 它们围绕其平衡位置在作不断地振动 另一方面 原子由通过其间的相互作用力而联系在一起 即他们的振动不是彼此独立的 原子间的相互作用力一般可以很好的近似为弹性力 振动理论可以认为是一系列基本的振动 简正振动 的叠加当原子振动的振幅与原子间距的比值很小时 我们将原子振动势能展开式只取平方项 即简谐近似 的话 那么这些组成晶体中弹性波的各个基本的简正振动就是彼此独立的 5 声子含义 经典理论中 谐振子的能量是连续的 但在量子力学中 它们的能量必须是量子化的 只能取hw的整数倍 即 En n 1 2 hw这样 相应的能态En就可以认为是由n个能量为hv的 激发量子 相加而成 我们把这种量子化了的弹性波的最小单位就叫声子 声子是一种元激发 元激发 元激发方法就是把所有强相互作用的多粒子体系简化看成近似于理想气体的准粒子系统 元激发就是针对着我们各种不同物理问题提出来的一类准粒子 6 声子含义 7 声子含义 几点说明 1 声子是简谐振动近似下的产物 若是振动太剧烈 超过了小振动的范围 那么晶格振动就要用非简谐振动理论来描述 2 声子并不是一个真正的粒子 它只是反映晶体原子集体运动状态的激发单元 但不能脱离固体而单独存在 由于它的行为虽然与某一能量和动量的粒子的行为相似 所以通常称为 准粒子 3 一种振动模式 格波 称为一种声子 4 当电子或光子与晶格振动相互作用时 总是以hw w为频率 为单元交换能量 若电子交给晶格hw的能量 称为发射一个声子 若电子从晶格获得hw的能量 则称为吸收一个声子 8 声子含义 5 声子与声子相互作用 或声子与其它粒子 光子或电子 相互作用时 声子数目并不守恒 声子可以产生 也可以湮灭 其作用过程遵从能量守恒和准动量守恒 6 点阵中的声子并不携带物理动量 这是因为声子坐标 除k 0之外 涉及的只是原子 离子 的相对坐标 7 声子气体不受pauli不相容原理的限制 粒子数目不守恒 因此属于玻色子系统 8 系统中声子的数目与温度有关 因为温度越高 晶格振动越剧烈 其能量量子数目就越多 即声子就越多 9 几个对比 10 声子的激发 我们怎么样来激发和检测声子 11 声子激发 声子的产生与固体中的载流子跃迁密切相关 当固体外界以某种形式 光 电或高能粒子 吸收能量时 固体中的电子将被从基态激发到激发态 此时固体被激发 产生非平衡载流子 再通过发射或吸收声子弛豫到准平衡态 高频声子的产生方法 光激发法 利用声光衍射原理来产生高频声子压电法 通过压电材料的压电特性而产生声子超导结法 利用两组超导体间电子的隧道效应在低温下产生声子顺磁共振法 声顺磁共振可以产生高颤超声波 所用的设备是电子顺磁共振仪 12 声子激发 光激发法 激光束照射试样表面 试样在短时间内吸收大量的热 激发价带电子跃迁到导带中产生非平衡载流子 由于电子 电子 电子 空穴和空穴 空穴的相互作用 飞秒激光共振激发的载流子会很快趋于热平衡 其中的时间是由薄膜厚度和样品中的声速共同决定 峰值宽度由电子通过电子 电子相互作用把能量能量传给晶格 随着电子 声子的相互作用 能量传给晶格使其产生位移从而引起弹性应力被激发声子 同时会产生热弹性脉冲 随着脉冲的传播 由于衰减 脉冲的振幅逐渐变小 13 声子激发 压电法 在产生和接收微波声子时 常用的压电材料有石英 铌酸锂 氧化锌和有机压电薄膜PVDF 压电法中有三种不同的声子产生方式 一是利用压电薄片来产生高频声子 检测时要用多层阻抗不同的材料加以前后匹配 二是利用微波谐振腔压电表面激发微波声子 这时压电体是块状的 三是利用远红外激光压电表面激发大赫兹级声子 14 声子检测 15 声子检测 抽运检测法 利用飞秒激光激发和探测样品中声子的频率达到太赫兹 由于飞秒脉冲持续时间短 峰值功率高 使得聚焦后的光功率能够使样品发生载流子跃迁 同时产生太赫兹声子 探测光的相对变化 就可以测定载流子布居的变化情况 由于声子回波对薄膜表面反射率的调制 通过抽运 探测实验测到探测光反射的变化就可以得到声子的回波信号 16 声子检测 光干涉检测法 将试样表面直接作为迈克尔逊干涉测量仪测量臂中的反射镜 如图所示 聚焦的激光束照到试样表面 入射的激光束被表面反射并与由光源分离出的参考光束发生干涉 使光束发生频移 由检测器测量出频移和试样的振动位移 从而检测出固体中的超声波并且还可以判断试样内部缺陷和微结构 这种方法检测的声子频率较低 17 声子检测 准共振激发荧光技术 用准共振激发超薄量子阱 QW 荧光技术探测声子时有两个优点 一 敏感度较高二 这种技术只对太赫兹声子敏感超薄的QW有独特的性质 只有通过太赫兹声学声子才能使局域性激子态产生辐射跃迁 研究表明 当QW的厚度为4个单位分子层厚时 激子的结合能为最大 局域性激子态间的扩散能为几个电子毫伏 所以在这种激子态下 低频的声学声子不能诱导态间的过渡 所以通过检测光致发光的强度就可以探测到太赫兹级的声学声子 18 声子检测 压电光声检测法 声波是弹性波 当声波作用在压电材料上时相当于机械力作用在压电晶体上从而激起表面产生压电效应 我们利用这种方法可以检测到频率为几十吉赫兹到太赫兹级的声子回波 图中试样表面覆盖了一层介质吸收薄膜 在膜上粘上了一块透明薄片 使样品表面处于束缚状态而增强声波的幅度 19 声子用处 声子有什么用呢 20 声子应用 引入声子概念后 整个系统就看成是由众多声子组成的理想声子气体 处理问题时更加形象方便 例如晶格振动对电子的散射时 就可以当做电子与声子的碰撞来处理 又例如 热传导可以看做是声子的扩散 热阻是由于声子被散射等 例如解释解释传热过程 晶体存在温度差 高温的一端 晶体的晶格振动将具有较多的振动模式和较大的振动幅度 即较多的声子被激发 当这些格波传至晶体的另一端 使那里的晶格振动趋于具有同样多的振动模式和幅度 这样声子就把热量从晶体一端传到另一端 21 声子应用 用声子学的原理 构想制备热二极管和热三极管热二极管就是只让热流单向通过 热三极管是热流的开关和放大器 有了它们 热流 声子流 便能按着人的意愿流动 用这种原理就能做出一些很有意思的东西 例如奇异水壶 用它装水 火越旺 水反而热的越慢 还