Re(A 0. λ K=2π/λ FONONER

Relevanta dokument
Frielektron fermigas i en kristall. L z. L y L x. h 2 2m FRIELEKTRONMODELLEN

Dispersionsrelation för fononer hos en diatomär atomkedja

TENTAMEN I FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK F3/KF3 FFY011

Enligt Hunds första regel är spin maximal. Med tvνa elektroner i fem orbitaler tillνater

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik Curt Nyberg, Igor Zoric

7. Kristalldynamik I. 7. Kristalldynamik I. 7.1 Gittervibrationer och fononer II. 7.1 Gittervibrationer och fononer I

F2: Kvantmekanikens ursprung

6. Kristalldynamik Elastiska ljudvågor Gittervibrationer och fononer

6. Kristalldynamik. [HH 2, Kittel 4-5, (AM 22-23)] Fasta tillståndets fysik, Kai Nordlund

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

Vågrörelselära och optik

Tentamen Fysikaliska principer

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

1. Elektromagnetisk strålning

7. Atomfysik väteatomen

Vågfysik. Ljus: våg- och partikelbeteende

Torsdag 30 oktober. Brownsk rörelse, svartkroppsstrålning (Arne, Janusz)

If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

Vågor och Optik. Mekaniska vågor (Kap. 15) Mekaniska vågor (Kap. 15)

Vågrörelselära och optik

Energidiagram enligt FEM

ANDREAS REJBRAND Statistisk fysik Wiens förskjutningslag: hur snäll är solen?

Räkneövning 5 hösten 2014

ett uttryck för en våg som beskrivs av Jonesvektorn: 2

ENERGIBAND. Blochfunktioner. ψ k

Tenta Elektrisk mätteknik och vågfysik (FFY616)

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

TENTAMEN I FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK F3/KF3 FFY011

1.7. Tolkning av våg partikeldualiteten

Tentamen Fysikaliska principer

NFYA02: Svar och lösningar till tentamen Del A Till dessa uppgifter behöver endast svar anges.

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

FyU02 Fysik med didaktisk inriktning 2 - kvantfysik

KOMPLETTERANDE FORMELSAMLING FÖR FASTA TILLSTÅNDET I (reviderad version) 1. GITTER. RECIPROKT GITTER. KRISTALLPLAN.

MEKANIK LABORATION 2 KOPPLADE SVÄNGNINGAR. FY2010 ÅK2 Vårterminen 2007

Dugga i FUF040 Kvantfysik för F3/Kf3

BANDGAP Inledning

Vågrörelselära och optik

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Välkomna till Kvantfysikens principer!

Kvantfysik - introduktion

Milstolpar i tidig kvantmekanik

Vågrörelselära och optik

Tentamen Fysikaliska principer

Kvantfysikens grunder. Mikael Ehn Period III, 2017

Tentamen Fysikaliska principer

Solens energi alstras genom fusionsreaktioner

Vågfysik. Vilka typer av vågor finns det? Fortskridande vågor. Mekaniska vågor Elektromagnetiska vågor Materievågor

I Einsteins fotspår. Kvantfysik och Statistisk fysik. Lars Johansson, Karlstads universitet. I Einsteins fotspår

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

c = λ ν Vågrörelse Kap. 1. Kvantmekanik och den mikroskopiska världen Kvantmekanik 1.1 Elektromagnetisk strålning

Kvantmekanik - Gillis Carlsson

Information om kursen

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 7 poäng, FyL2 Tisdagen den 19 juni 2007 kl 9-15

29. Stimulerad och spontan emission

Studieanvisningar i statistisk fysik (SI1161) för F3

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Lösningsanvisningar till tentamen i SI1161 Statistisk fysik, 6 hp, för F3 Onsdagen den 2 juni 2010 kl

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

FK Elektromagnetism och vågor, Fysikum, Stockholms Universitet Tentamensskrivning, måndag 21 mars 2016, kl 9:00-14:00

Figure 1: Ríontgenspektrum frçan katodstrçaleríor. de elektroner som infaller mot ríontgenríorets anod íandrades till XY kv, díar XY íar

VII. Bose-Einstein-statistik

Föreläsning 12. Tidsharmoniska fält, komplexa fält (Kap ) Plana vågor (Kap ) i Griffiths

Kapitel 4. Materievågor

BANDGAP Inledning

Bohrs atommodell. Uppdaterad: [1] Vätespektrum

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Uppsala Universitet Institutionen för fotokemi och molekylärvetenskap EG FH Konjugerade molekyler

The nature and propagation of light

Tentamen Fysikaliska principer

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

Svar och anvisningar

FYTA11: Molekylvibrationer

10. Den semiklassiska modellen för elektrondynamik

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

6. Kvantfysik Ljusets dubbelnatur

Laboration i röntgendiffraktion och laserdiffraktion för E

10. Den semiklassiska modellen för elektrondynamik

Lösningsförslag. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Ytor och gränsskikt, Lektion 1 Ytspänning, kapillaritet, ytladdning

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

FYTA11: Molekylvibrationer

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801) Lördag 15 december 2012,

Exempel på statistisk fysik Svagt växelverkande partiklar

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk fysik för F3

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

F3: Schrödingers ekvationer

Tentamen i FysikB IF0402 TEN2:

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (EITF85)

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t s(x,t) =s 0 sin 2π T x. v = fλ =3 5 m/s = 15 m/s

Vågrörelselära och optik

Materiens Struktur. Lösningar

Kvantbrunnar -Kvantiserade energier och tillstånd

Ultraljudsfysik. Falun

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Parbildning. Om fotonens energi är mer än dubbelt så stor som elektronens vileoenergi (m e. c 2 ):

Fysiska institutionen april 1983 Hans Linusson, Carl-Axel Sjöblom, Örjan Skeppstedt januari 1993 FY 2400 april 1998 Distanskurs LEKTION 25.

Transkript:

FONONER Atomerna sitter inte fastfrusna på det regelbundna sätt som kristallmodellerna visar. De rubbas ur sina jämviktslägen av tillförd värme, ljus, ljud, mekaniska stötar mm. Atomerna i kristallen vibrerar runt sina jämviktslägen på samma sätt som atomerna i en molekyl men med ett annat frekvens-spektrum. Atomernas vibrationer kallas gittervibrationer. y Re(A 0 e ikpa ) x Figur 1 a λ K=2π/λ Man har funnit att gittervibrationerna kan beskrivas med en uppsättning s. k. normalmoder, svängningsmoder som breder ut sig som vågor genom kristallen. Figur 1 visar detta för en atomkedja (en-dimension kristall). Figuren visar realdelen, i ett visst ögonblick av den planvåg som beskriver en svängningsmod med en viss frekvens (vinkelfrekvens). Med både tids och rumsdelen blir vågfunktionen för p:te jonen i kedjan y p = A 0 e ikpa it A 0 är vågens amplitud och K dess vågvektor. Gittervibrationerna vågvektorer bestäms av de periodiska randvillkoren: y(x = L) = y( x = 0) gäller i varje ögonblick, L=Na är atomkedjans längd, N totala antalet atomer i kedjan. 1

A 0 e ikl it = A 0 e it e ikl =1 K = 2π L m där p är ett heltal. Eftersom våglängden λ = 2π/K så kommer möjliga våglängder att vara: λ = L m. Det finns en kortaste våglängd och den är λ =2a. Figur 2 åskådliggör en våg med den våglängden och en med ännu kortare våglängd. En våg med kortare våglängd än 2a beskriver inte atomförflyttningarna mer än vad λ 2a gör. y Re(A 0 e ikpa ) x λ min =2a => K max =π/a Figur 2 Svängningsmodernas K-värden begränsas därmed till intervallet [-π/a, π/a]. Detta intervall kallas Brillouinzon. Totala antalet egentillstånd blir: 2π a K = 2π a 2π = L a = Na a = N L 2

2π/a är längden på Brillouinzonen och K är längden per K-värde. L, kristallens längd kan uttryckas som Na där a är gitterkonstanten och N är antalet gitterpunkter i atomkedjan. Det innebär att antalet svängningsmoder (egentillstånd) är detsamma som antalet atomer. Debye-modellen I analogi med elektromagnetiska vågor beskrivs sambandet mellan frekvens och vågvektor med en linjär dispersionsmodell. Elektromagnetiska vågor i vakuum har dispersionsrelatonen =ck, c ärljushastigheten och K vågtalet. Modellen tillämpad på materievågor (gittervibrationer) i en kristall kallas Debye-modellen: = v l K (1) där v l är ljudhastigheten. Figur visar Debyes linjära modell och även den modell som mer realistiskt återger dispersionsrelationen (K). De båda modellerna överensstämmer för låga frekvenser och går därför bra att använda i sammanhang där svängningsmoder med låg frekvens dominerar i kristallen. I Debye-modellen införs också en högsta frekvens, vilken för en-dimensionella kristaller är: = v l K D = v l π a Debye-modellen: =ck K=2π/L vågvektor K K D

Figur I tre dimensioner måste man beakta ett K är en vektor och att alla punkter som för ett visst belopp K uppfyller att: K = K x 2 + K y 2 + K z 2 har samma energiegenvärde. Alla punkter som ligger på ytan till en sfär med radien K har samma energiegenvärde. Även i tre dimensioner är antalet svängningsmoder (=antalet egentillstånd) lika med antalet gitterpunkter, N. Det innebär att K D är radien i en sfär i vilken alla N K-värden till egentillstånden finns, se figur 4. (Kristallen är en kub med sidan L.) Debye-sfären k z K D k y k x K z =2π/L Figur 4 K x =2π/L K y =2π/L 4

N bestämmer Debye-sfärens storlek: 4πK D 4πK D N = = K x K y K z 2π = VK D 6π 2 L (2) n = N V K D = ( 6π 2 n) 1/ () V är kristallens volym och n är antalet gitterpunkter per volymsenhet. Tillståndstätheten Tillståndstätheten (svängningsmodstätheten) kan bestämmas på samma sätt som för elektrontillstånden enligt FEM (se nätanteckningar Frielektronmodellen ) men här för frekvens istället för energi. dn() d K < K D N(K) < N N(K) är antal svängningsmoder i sfären med radien K. N är totala antalet svängningsmoder, dvs antalet gitterpunkter. 4πK N(K) = (2π) V = VK 6π 2 Från ekv. (1) har vi att: K = v l N() = V v l 6π 2 5

Modtätheten: dn() d = V 2 v l 2π 2 Icke volymsspecifik modtäthet erhålls om man dividerar med volymen V: g( ) = 2 v l 2π 2 (4) Figur 5 nedan visar modtätheten per frekvensenhet för fononer. Modtätheten per frekvensenhet enligt Debye-modellen g( ) Figur 5 Fononer Materievågens energi bestäms av dess amplitud och frekvens, analogt med elektromagnetisk vågor. Ytterligare en parallell finns till elektromagnetiska vågor: de beskrivs men energikvanta. Elektromagnetisk strålning är kvantiserad i fotoner med energin h per foton. Denna kvantisering blev Planck tvungen att införa i härledningen av svartkropps-kurvan. Utan kvantisering inträffar den s. k. ultravioletta katastrofen ( Tipler kap. -2). Även materievågor i kristaller måste vara kvantiserade för att teori och experiment skall överensstämma. Svängningsmoderna som beskriver materievågorna i en kristall uttrycks i energikvanta som kallas fononer. Energin i en våg av en viss frekvens och en viss amplitud uttrycks som: 6

E = h(m + 1 2 ) m är ett heltal och anger antalet fononer och m är proportionell mot vågens amplituden i kvadrat. Vid T= 0 K finns inga fononer men en nollpunktsrörelse: E = 1 2 h per svängningsmod. Fotoner och fononer är bosoner. Bose-Einsteins fördelningsfunktion (Plancks fördelningsfunktion) Fononer skapas och förintas och som nämnts tidigare så finns det inga fononer vid T=0 K. Antalet fononer vid en viss temperatur T i en svängningsmod med frekvens bestäms av Bose-Einsteinfördelningen (analogt med fotoner enligt Tipler kap -2): 1 f B E (,T) = h k e T B 1 (5) Bose-Einsteinfördelningen beskriver att det totala antalet fononer i en mod ökar med temperaturen och minskar med modens frekvens för konstant temperatur. Detta illustreras i figur 6 nedan för tre olika temperaturer. Bose-Einsteinfördelningen vid tre olika temperaturer. f(,t) T Figur 6 7

I I figur 7 har Bose-Einsteinfördelningen multiplicerats med modtätheten vilket ger antalet fononer per frekvensenhet. Totala antalet fononer vid en viss temperatur: 0 g() f B E (,T)d ökar med temperaturen. antal fononer per energienhet vid tre olika temperaturer g () * f B-E (,T) T Figur 7 8

Mål för momentet fononer Att förstå att jonernas rörelse runt sina jämviktslägen i kristallen kan beskrivas som kollektiva planvågor, materievågor. Veta att det finns tre varianter (kallas grenar) av vågutbredning i kristaller Veta antalet svängningsmoder per gren Att förstå betydelsen av vågtal ( endimensionella kristaller, vågvektor i tredim.) och varför det finns ett största möjlig vågtal (motsvarar den kortast möjliga våglängden) Veta vad Brillouinzon avser Veta sambandet mellan energi och vågvektor i Debyemodellen Veta vad begreppen Debyetemperatur och Debyefrekvens innebär och hur man beräknar dess utgående från data i Physics Handbook Kunna beräkna ljudhastigheten i olika kristaller utgående från Debyemodellen och data i Physics Handbook Att förstå vad en fonon är Att förstå innebörden av begrepper tillståndstäthet för fononer enligt Debyemodellen 9