Баллистические фононы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Баллистические фононы - неравновесные акустич. фононы ,распространяющиеся в кристалле без рассеяния. Баллистич. распространение нарушается рассеянием на статич. дефектах кристаллич. решётки и свободных носителях заряда, а также фонон-фононным рассеянием. Сечения этих процессов растут с ростом частоты w фонона, поэтому баллистич. распространение имеет место только для фононов достаточно низких частот в совершенных кристаллах диэлектриков и полупроводников при достаточно низкой температуре T образца. При типичных расстояниях между излучателем и приёмником R=0,1-1 см Б.ф. с

Гц можно наблюдать при

К.

Обычный источник баллистических фононов - металлич. плёнка (толщиной

и площадью

0,1 мм²), напыленная на одну из граней образца и нагреваемая до температуры

импульсом тока или лазерного излучения (длительностью

0,1 мкс). Плёнка инжектирует в кристалл фононы с широким спектром частот, соответствующим Планка закону излучения с температурой

; угловое распределение инжектир. фононов близко к изотропному. Простейшим детектором фононов служит болометр - плёнка примерно таких же размеров, как излучатель, напыленная на др. грань образца; отклик болометра обусловлен изменением его сопротивления при нагреве за счёт поглощения фононов.

Измеряя времена прихода, можно получить информацию о законе дисперсии

фононов в диапазоне 10¹¹- 10¹² Гц, к-рый недоступен для УЗ-методов (ограниченных частотами [10 ГГц) и в к-ром нейтронные измерения (см. Неупругое рассеяние нейтронов)имеют малую точность из-за малой передачи импульса при рассеянии. Высота баллистич. пика пропорц.

, где l - длина свободного пробега фонона. По высоте пика можно судить об интенсивности рассеяния фононов каждой поляризации при фиксированном направлении q (т. к. l усреднена только по ). С помощью сверхпроводящего детектора, регистрирующего только фононы, поглощение к-рых. приводит к разрыву куперовских пар (т. е. с

), где

- энергетич. щель сверхпроводника), можно измерить

только при

, т. е. разделить фононы по частоте.

Анизотропия существенно усложняет картину баллистич. распространения. Из рис. видно, что даже в наиб. симметрич. направлении [001] распространяются не только фононы с

[001], но и медленные ST фононы [от англ. slow, для к-рых q лежит в плоскости (011)]. Такие же ST фононы есть в плоскости (001)

Сечение многолистной поверхности

плоскостью (011) в кубическом кристалле. Видна изолированная поверхность, соответствующая L фононам, и 2 взаимно пересекающиеся поверхности, отвечающие T фононам. На них раздельно помечены листы, соответствующие фононам малой (ST) и большой (FT)фазовым скоростям

. С учётом симметрии, т. о., оказывается, что

[001] в 10 точках q: в 1 точке на листе L, в 1 точке касания листов FT (от англ. Fast - быстрый) и ST и в 8 точках на листе ST. Среди этих групповых скоростей 4 разные, так что если

[001], то детектор должен зафиксировать 4 импульса - 1 продольный и 3 близких по времени прихода поперечных. Если быстрые FT фононы, инжектированные точечным излучателем, распределены по направлениям q изотропно, то их скорости

группируются около направлений [001] и [011], а около направлений [111] есть области телесных углов, внутрь к-рых групповые скорости вообще не попадают. Это значит, что поток энергии FT фононов будет концентрирован вдоль [001] и [011] (фононная фокусировка) и будет равен О в конусах с осями

[111] (внутр. коническая рефракция).

Литература по баллистическим фононам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.