величина

волновой вектор

Вектор, описывающий направление распространения и длину волны волны в кристалле.
1 статья · 2 формулы

Описание

Волновой вектор — это математическое описание волны, которое кодирует как направление её распространения, так и пространственную частоту, обратно пропорциональную длине волны. В кристалле волновой вектор необходим для описания того, как волны — будь то электронные волны, фононы (колебания решётки) или фотоны — движутся через периодическое расположение атомов. Это фундаментальное понятие в физике твёрдого тела, поскольку оно позволяет учёным классифицировать разрешённые энергетические состояния электронов в материале и понимать такие явления, как теплопроводность, электропроводность и взаимодействие волн с кристаллическими структурами.

История

Концепция волнового вектора была разработана в начале XX века вместе с зарождением квантовой механики и физики твёрдого тела, с ключевым вкладом Феликса Блоха и Леона Бриллюэна в 1920-х и 1930-х годах.

Как это работает

Волновой вектор, часто обозначаемый как k, указывает направление распространения волны, а его величина равна 2π, делённой на длину волны. В кристалле периодический потенциал атомов изменяет соотношение между волновым вектором и энергией, что приводит к образованию энергетических зон и запрещённых зон. Когда волна рассеивается на кристаллической решётке, изменение её волнового вектора определяется обратной решёткой кристалла, что является ключевым понятием в рентгеновской дифракции и рассеянии нейтронов. Волновой вектор также определяет, как тепло переносится фононами — квантованными колебаниями решётки — и как электроны реагируют на электрические и магнитные поля.

Где применяется

Волновой вектор используется при проектировании полупроводников, в рентгеновской кристаллографии для определения молекулярных структур, а также при анализе экспериментов по рассеянию нейтронов для изучения магнитных и решёточных свойств материалов.

Любопытный факт

В кристалле волновой вектор определён с точностью до кратного вектора обратной решётки, поэтому физики часто работают в «первой зоне Бриллюэна» — концепции, которая является центральной для понимания поведения электронов в твёрдых телах.

Граф понятий →

Формулы

$$\omega(\mathbf{k}) \neq \omega(-\mathbf{k})$$
Частота волны зависит от направления, что нарушает взаимность.
Что в формуле
\omegaпеременнаяугловая частота — угловая частота рад/с
\mathbf{k}переменнаяволновой вектор — волновой вектор рад/м
$$J(E) = \frac{2}{(2\pi)^3} \int_{\text{BZ}} d^3k \, \delta(E_c(\mathbf{k}) - E_v(\mathbf{k}) - E)$$
Число электронных переходов на интервал энергии.
Что в формуле
Jпеременнаясовместная плотность состояний — плотность состояний 1/(Дж·м³)
Eпеременнаяэнергия фотона — энергия Дж
E_cпеременнаяэнергия зоны проводимости — энергия Дж
E_vпеременнаяэнергия валентной зоны — энергия Дж
\mathbf{k}переменнаяквазиимпульс кристалла — волновой вектор 1/м
\int_{\text{BZ}} d^3операторинтегрирование по первой зоне Бриллюэна — integral over brillouin zone
\deltaоператоротбирает состояния, удовлетворяющие сохранению энергии — dirac delta function

Статьи по теме · 1

Электроны замерзают в узор
В тончайшем листе четырёхслойного графена электроны могут вести себя как застывшая жидкость. При сильном охлаждении и под действием электрического поля они перестают метаться и выстраиваются в правильный узор — вигнеровский кристалл. Это похоже на то, как капли воды на морозе превращаются в ледяные соты.