声子

前言 声子(phonon)是固体物理和近代声学中的一个重要基本概念.但一般固体物理、统计物理和声学的教科书或参考书中,对这一概念的介绍非常简单,甚至有一些不妥的说法,如认为“声子就是晶格振动中的简谐振子.”[1]为了使大家对声子有一个准确而完整的概念,本文拟就声子的引入、声子的性质进行较为详细的讨论.一、声子概念的引入 声子的概念首先是在研究晶格振动时引入的[2].晶格振动是晶体中诸原子(离子)集体在作微振动,其结果表现为晶格中的格波. 由量子力学可知,用经典力学的物理量来描述微观粒子,只能在一定的近似程度内做到.当作为粒子处…     

离子型声子晶体的光学性质

提出了离子型声子晶体的概念,发展了相应的理论：在实验上证实了离子型声子晶体中存在超晶格振动与电磁波的强烈耦合,观察到原先存在于离子晶体中的极化激元等长波光波行为;预言了一些可能的物理效应,离子型声子晶体超晶格振动和电磁波的耦合方程与黄昆方程在形式上完全一致,说明了超晶格与实际晶格在物理上的相似性。     

声子气的状态方程和声子气运动的守恒方程

根据爱因斯坦的狭义相对论中质能的等效关系，把固体(本文指非导体)晶格(原子)的质量分为晶格(原子)的静质量和晶格热振动能量的等效质量两个部分，后者就是固体中声子气的等效质量.晶格(原子)热振动的能量则分为晶格(原子)静质量具有的热能以及声子气质量具有的热能.基于固体的状态方程，导得了晶格静质量热振动的状态方程和声子气的状态方程.声子气在固体介质中的宏观运动就是热量在固体中的传递过程.建立了声子气运动的守恒方程组，分析表明，忽略惯性力时声子气的动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律，阐明了傅里叶导热定律的物理本质是声子气驱动力与阻力的平衡方程.当热流密度很大惯性力不能忽略时，傅里叶导热定律不再适用. 关键词： 非傅里叶导热 声子气 声子气质量 状态方程 守恒方程     

晶格振动模式密度研究

晶格振动模式密度(声子态密度)即单位频率间隔内的模式数,是反映声子在波矢空间分布疏密程度的物理量.为了准确地求出晶格热容量随温度的变化关系,必须用较精确的办法计算出晶格振动的模式密度,进而掌握材料的热力学性质.一般教材中对该部分的讲解晦涩难懂,本文从晶格振动的物理意义开始,分析说明并推导一维、二维、三维不同体系的晶格振动模式密度公式,进而求出德拜模型下不同体系晶格热容公式.     

黄昆对物理学的贡献

黄昆是晶格动力学的奠基人和权威,声子物理学科开拓者。他是多声子光跃迁和多声子无辐射跃迁理论学科的开创者,是“极化激元”概念的最早阐述者。他的姓氏也与晶格振动长波唯象方程、X光漫散射理论联系在一起。在多年离开科研第一线后,黄昆70岁还建立了半导体超晶格光学声子的“黄－朱模型”。本文简要介绍黄昆先生在科学研究领域的几项主要贡献。     

KTiOPO4晶体的太赫兹光学声子振荡特性研究

采用超快半导体光电导开关的宽带太赫兹时域频谱系统,研究了 KTiOPO4 晶体在0.5～2.0THz波段的光学声子振荡特性;在晶体z轴平行于THz波电场振动方向时发现了明显的吸收峰.利用晶体中晶格振动模式（光学声子）对光谱的选择性吸收特性和多洛仑兹振子伪谐振介电模型,很好地拟合了KTP晶体的复介电常量曲线,得到了对应晶格弱振动的光学声子的频谱参量值.研究结果表明,位于ω1 /2π=1.76 THz的吸收峰是KTP晶体中沿z轴排列的K+相对于PO4和TiO6晶格振动造成的光学外振动模.同时也说明THz波对于晶格弱振动非常敏感,对于微弱的光学声子吸收峰的频谱分析更加精准.     

一维分子链中激子与声子的相互作用和呼吸子解

运用连续极限近似，求解声子与激子相互作用的运动方程，得到了简谐分子链和 非简谐分子链中晶格振动的孤子解，在考虑三次非简谐势的情况下，一维分子链晶格振动具 有扭结孤子解，在考虑具有四次非简谐势的情况下，得到一维分子链晶格振动具有呼吸子解 . 关键词： 一维分子链 激子 声子 孤子 呼吸子 非线性效应     

基于第一性原理分子动力学的填充方钴矿热输运性质及微观过程的研究

对于重要热电材料之一的填充方钴矿材料,其低热导率的成因存在两种观点:1)填充原子的局域振动引起共振散射降低热导率;2)填充原子的引入加强了三声子倒逆过程来降低热导率.本文采用含有限温度效应的第一性原理分子动力学方法模拟了YbFe_4Sb_(12)的动力学过程,并通过温度相关有效势场方法得到了充分包含非线性作用的等效非谐力常数,研究了微扰近似下的声子输运性质.结果显示,在填充原子振动全部参与三声子倒逆散射过程的近似下,相比于纯方钴矿体系,声子寿命大幅地降低,填充原子的振动是热阻的重要来源.但即便如此,理论计算结果与实验的晶格热导率之间仍存在明显偏离.不同填充原子振动之间的较弱关联性质也揭示其明显偏离经典的声子图像,表现为一种强烈的局域特征振动模式,并以此散射其他晶格声子,因而对热阻的贡献也超出了传统三声子的理论框架.通过将填充原子Yb振动模式的寿命进行共振散射形式的修正,可以使晶格热导率与实验结果符合较好.以上结果表明,YbFe_4Sb_(12)的低晶格热导率是由声子间相互作用以及具有局域振动特征的共振散射两方面因素导致.     

通过光子与横向光频支声子直接耦合产生超声

详细地讨论了通过光子与横向光频支（TO）声子直接耦合产生高频超声问题。着重研究如下的原则性的实验方案：在构成共振腔主体的离子晶体中掺入某种活化原子（犹如固体激光器中受到抽运的杂质原子）,其受激辐射的光能用于激发TO声子,从而获得超声振动向腔外的输出。分析的结果说明,为保证运行的稳定性,体现在声子与光子的非线性耦会以及声子间耦合的晶格振动非简谐性是必要的。对这种光一声装置的工作物质的探索,将关系到对离子晶体晶格动力学上的非线性及有关电磁耦合特性的深入研究     

掺杂、无序和混晶半导体的晶格振动行为

一、研究的意义和目的 杂质诱发的半导体晶格振动问题和无序和混晶半导体的晶格振动问题的研究,在过去20多年中一直是比较活跃的. 过去的研究表明,在杂质诱发晶格振动情况下,由于杂质原子量和掺杂的不同而引起的力常数的变化,可以诱发与杂质有关的、不同程度局域化的振动模(尤其是位于声子带上方的局域模),并可使原来光学不激活的声子带模变得部分地光学可激活.然而对与低频的声学声子带有关的杂质诱发振动行为,国内外却研究得很少,实验方面尤其如此. 关于无序半导体的晶格振动行为,已有的研究成果表明,无序可以使理想晶体情况下光s学不激活…