声子：声的粒子化假设.doc

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1、声子声子（Phonon）是晶体中晶体结构集体激发的准粒子，化学势为零，服从玻色-爱因斯坦统计，是一种玻色子。声子本身并不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量（其中为约化普朗克常数）。根据南部-戈德斯通定理，任何连续性整体对称性的自发破缺，必然对应一个零质量的玻色子。声子就是平移对称性被晶格的点阵结构自发破缺以后对应的玻色子。声子与电子的相互作用，是导致BCS超导的关键机制。声子晶体存在弹性波带隙、弹性常数及密度周期分布的材料或结构被称为声子晶体。声子晶体的概念是类比光子晶体的概念提出来的。弹性波在声子晶体中传播时，受其内部周期结构

2、的作用，形成特殊的色散关系（能带结构），色散关系曲线之间的频率范围称为带隙。图1为二维声子晶体的能带结构，图中阴影所示为带隙。理论上，带隙频率范围的弹性波传播被抑制，而其它频率范围（通带）的弹性波将在色散关系的作用下无损耗地传播。当声子晶体的周期结构存在缺陷时，带隙频率范围内的弹性波将被局域在缺陷处，或沿缺陷传播。因此，声子晶体可用于控制弹性波的传播，在新型声学器件、减振降噪领域具有广阔的应用前景。在声子晶体中，与弹性波传播相关的密度和弹性常数不同的材料按结构周期性复合在一起，分布在格点上相互不连通的材料称为散射体，连通为一体的背景介质

3、材料称为基体。声子晶体按其周期结构的维数可分为一维、二维和三维，其典型结构图2所示，图中的点线表示在周期方向的延拓，(a)为一维结构，(b)和(c)分别为二维及三维结构。声子是一种非真实的准粒子，是用来描述晶体原子热振动——晶格振动规律的一种能量量子，它的能量等于ħωq。当晶体中的载流子运动时，即会遭受到热振动原子的散射（静止原子并不散射载流子），它们交换能量将以ħωq为单元进行，若电子从晶格振动获得ħωq能量,就称为吸收一个声子；若电子交给晶格ħωq能量,就称为发射一个声子。这种作用可采用载流子与声子的散射来描述，即称为声子散射。系统

4、中声子的数目与温度有关：因为温度越高，晶格振动就越剧烈，其能量量子数目就越多，即声子数也就越多。因此随着温度的上升，声子散射载流子的作用也就越显著。在室温下、或者更高的温度下，半导体中的载流子主要是遭受到声子的散射（只有在很低的温度下才是以电离杂质中心的散射为主）。所以，温度越高，载流子遭受到声子散射的几率就越大，从而迁移率和扩散系数也就越小。一般，在室温下，由于声子散射的缘故，半导体载流子迁移率随着温度T的升高而T^(-3/2)式地下降。至于晶体中声子之间的相互作用，如果声子的动量没有发生变化，而是两个声子碰撞而产生第三个声子的过程，

5、就常常简称为正规碰撞（散射）过程或者N过程。因为正规碰撞过程只改变动量的分布，而不影响热流的方向，故对热阻没有贡献。在晶体中存在声子势场波时，如果晶体电子的平均自由程比声波的波长（λ=2π/q）要小（q为声子的波数），则电子会不断遭受声子散射而损失能量，从而电子将被声子势场波的波谷所俘获。在电子被声子势场波俘获的情况下，当声波在晶体中传播时，电子即被声子势场波牵引着向前，这就是所谓声子曳引效应。注：BCS理论是以近自由电子模型为基础，是在电子-声子作用很弱的前提下建立起来的理论。BCS理论(BCStheory)是解释常规超导体的超导电性

6、的微观理论(所以也常意译为超导的微观理论)。该理论发明者以其巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.V.Cooper)施里弗(J.R.Schrieffer)的名字首字母命名。BCS理论在2014年6月在中国的一颗陨落的陨石体中，有了重大的发现，证实了这一种超导特性有其天然的自我存在。