Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

Samankaltaiset tiedostot
Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Vaihdetaan ryhmässä (1) summausindeksiksi K, jolloin saadaan (E E 0 k K 1

Luento 11: Periodinen liike

Luento 11: Periodinen liike

Luento 13: Periodinen liike

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

T R Hψ = H(r + R)ψ(r + R) = H(r)ψ(r + R) Kahden peräkkäisen translaation vaikutus ei riipu

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

KRISTALLOGRAFIASSA TARVITTAVAA MATEMA- TIIKKAA

dx = d dψ dx ) + eikx (ik du u + 2ike e ikx u i ike ikx u + e udx

Luento 15: Mekaaniset aallot. Mekaaniset aallot Eteneminen Aallon nopeus väliaineessa Energia Aallon heijastuminen Seisovat aallot

12. Eristeet Vapaa atomi

S Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

Aaltoputket analyyttinen ratkaisu. Palataan takaisin aaltoputkitehtäv än analy y ttiseen ratkaisuun.

Nyt. = R e ik R ψ n (r + R R ) = e ik R [ = e ik R b n ψ n (r R),

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

Luento 15: Mekaaniset aallot

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Kidehilan perusominaisuudet

Kidehilan perusominaisuudet

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

Luento 14: Periodinen liike, osa 2

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

Luento 18: Kertausluento

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Aineen aaltoluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 4. Mikro- ja nanotekniikan laitos

sillä hilassa vaikuttava periodinen potentiaali vaihtelee väleillä, jotka ovat pieniä verrattuna aaltopaketin

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Johdatusta moniskaalamallinnukseen. malleissa on usein pieniä/suuria parametreja. rajaprosessi voi johtaa laadullisesti erilaiseen rajayhtälöön

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

8. Klassinen ideaalikaasu

Luento 3. Millerin indeksit Kidevirheet Röntgendiffraktio Elastisuusteoria

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Onteloresonaattorit. Onteloresonaattori saadaan aikaan, kun metallisen aaltop utken molemmat suljetaan metalliseinällä ja sen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

9 VALOAALTOJEN SUPERPOSITIO

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

780392A/782631S Fysikaalinen kemia II, 5 op / 4 op

Kvanttimekaniikan perusteet

Avaruuden R n aliavaruus

Vapaat tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 6. Mikro- ja nanotekniikan laitos

KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

BM30A0240, Fysiikka L osa 4. Värähtelyfysiikkaa. Luennot: Heikki Pitkänen

Kanta ja Kannan-vaihto

Kanta ja dimensio 1 / 23

S Fysiikka III (Est, 6,0 op) Viikko 11

Luento 14: Ääniaallot ja kuulo

2 Mekaaninen aalto. Mekaaniset aallot kulkevat jossain materiaalissa, jota kutsutaan tässä yhteydessä väliaineeksi (medium).

Tilat ja observaabelit

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA a a a. Erkki Thuneberg

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA a a a. Erkki Thuneberg

Aineaaltodynamiikkaa

Insinöörimatematiikka D

KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA A. Erkki Thuneberg

Radioamatöörikurssi 2014

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

3 Ääni ja kuulo. Ihmiskorva aistii paineen vaihteluita, joten yleensä äänestä puhuttaessa määritellään ääniaalto paineen vaihteluiden kautta.

1 PERUSKÄSITTEITÄ 1.1 AALTOJEN TYYPIT

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Kvanttimekaniikka: Luento 2. Mar$kainen Jani- Petri

Kvanttimekaniikkaa yhdessä ulottuvuudessa

Luento 14: Ääniaallot ja kuulo

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Insinöörimatematiikka D

Ääni, akustiikka. 1 Johdanto. 2.2 Energia ja vaimeneminen (1) 2 Värähtelevät järjestelmät

2. kierros. 2. Lähipäivä

Matriisialgebra harjoitukset, syksy x 1 + x 2 = a 0

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Transkriptio:

Fononit Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

Atomien lämpövärähtely Mikä on atomien värähtelyn taajuus ja amplitudi? Tarkastellaan yhtä atomia ja sen naapureita. Mikä on jousivakio?

Hilavärähtelyt

Harmooninen oskillaattori Liikeyhtälö: Ratkaisu: M d x dt x cos x t A t missä harmoonisen värähtelyn kulmataajuus on M Suuret jousivakiot ja pienet etäisyydet tuottavat korkeita taajuuksia.

Värähdysamplitudin arviointi Klassisen ekvipartitioteoreema-mallin mukaan värähtelijän kokonaisenergia 1 1 E Mv x on yhtä suuri kuin k B T (kaksi vapausastetta). Kun liikeenergia on nolla, 1 xmax kbt xmax kt B Tämän suuruusluokka on muutama prosentti atomien välisestä etäisyydestä.

Monimutkaisempia malleja (1D) Ääretön ketju (yksi atomi/yksikkökoppi) Ääretön ketju (kaksi atomia/yksikkökoppi) Äärellinen ketju

Ääretön 1-dimensioinen ketju Liikeyhtälö, atomi n: Tasapainoetäisyys a dun M u u u u dt dun n1 n n1 M u u u dt n n1 n1 n Ratkaisuyrite: u t ue n i kant

Sijoitus liikeyhtälöön: dun ikant M M ue dt ika ikant ikant ika ikant ue e ue ue e M M ka i ka ka i ka cos sin cos sin e ika 1 cos e ika ka Tämä on siis voimassa millä tahansa amplitudin u arvolla.

Tällä on ratkaisu vain, kun 1 coska ka k sin M M Koska cos cos sin 1 sin, niin saadaan k ka sin ka sin M M Yleisesti ω riippuu k:sta. ω(k) on nimeltään dispersiorelaatio.

Ratkaisu Dispersiorelaatio Ääniaalto u t ue n i kant k sin M ka Seisova aalto k ak k M

Yleinen 1D-aalto Vaihenopeus ja ryhmänopeus Määritellään vaihenopeus ryhmänopeus Samat, jos

Esimerkkejä dispersiorelaatioista Värähtelyt 1D-ketjussa ka k sin M Kvanttimekaaninen partikkeli k

Valo tyhjössä Esimerkkejä dispersiorelaatioista Dispersiorelaatio on lineaarinen. Valon nopeus c ei riipu taajuudesta. Valo materiassa k

Esimerkkejä dispersiorelaatioista Lineaarinen dispersio k -dispersio k k Sinimuotoinen dispersio k

1 5 Ratkaisu Dispersiorelaatio Seisova aalto Ääniaalto

Dispersiorelaatio on periodinen ja periodi on yksi käänteishilavektori!

Jos k muutetaan yhdellä käänteishilavektorilla, atomien liike säilyy samana.

Ensimmäinen Brillouinin vyöhyke Ensimmäinen Brillouinin vyöhyke on k-avaruuden osa, joka on lähempänä tiettyä käänteishilan pistettä kuin mitään muuta käänteishilan pistettä (Wigner-Seitz koppi k-avaruudessa).

Ensimmäinen Brillouinin vyöhyke

Ensimmäinen Brillouinin vyöhyke

Reaaliavaruus Ensimmäinen Brillouinin vyöhyke Käänteisavaruus

Kaksiatominen kanta Liikeyhtälöt: Hilaperiodi b dun M u v v dt Ratkaisuyrite: n M vn un 1 un 1 n n n1 u t ue n i kbnt dv Kaksi lineaarista yhtälöä, kaksi tuntematonta (amplitudit u ja v). dt v t ve n i kbnt

Sijoitus liikeyhtälöihin: ikb M1u u v e v ikb M v v u e u Saadaan yhtälöpari: ikb 1 M u 1 e v 0 ikb 1 e u M v 0

Tällä on ei-triviaali ratkaisu vain, kun kerroinmatriisin determinantti on nolla: ikb M 1 1 e 0 ikb 1 e M Koska ikb ikb M 1 M e e 1 1 0 ikb ikb M M M M 4 1 e 1 e 0 4 1 1 e e kb 4 1 1 cos 4sin ikb ikb kb :lle saadaan toisen asteen yhtälö kb M1M M1 M 4 sin 0

Toisen asteen yhtälö sievennettynä on kb M1M M1 M 4 sin 0 1 1 4 kb sin 0 M1 M M1M joten saadaan kaksi ratkaisua kaikilla k:n arvoilla: 1 1 1 1 1 4 kb M M M M M M 1 1 1 sin

Kaksihaarainen dispersiorelaatio 1 1 1 1 1 4 kb M M M M M M 1 1 1 sin

Fononimoodit Poikittaiset moodit: TA = transverse acoustic TO = transverse optical Pitkittäiset moodit: LA = longitudinal acoustic LO = longitudinal optical

Äärellisen pituinen ketju Mitkä ovat reunaehdot? Kuinka ketjun päät käsitellään? Pituus l, kiinnitetyt päätyatomit Ratkaisut ovat seisovia aaltoja.

Periodiset reunaehdot Max Born - Theodore von Karman (191) N 1 Ketju, jossa N atomia: u nn u n Äärellinen ketju, jolla ei ole päätyä!

Periodiset reunaehdot Samalla tavalla päästään 3D-materiaalien pinnoista eroon (!). Jos kidettä siirretään L:n verran, kaiken täytyy säilyä samana.

Periodiset reunaehdot Ketju, jossa N atomia: u nn u Aalto on sama N yksikköä edempänä: e e ikan ikna e 1 n ika nn Tämä rajoittaa k:n arvoja: kna m k a m N N erilaista mahdollista värähtelymoodia (m=0...n-1).

Hila ilman kantaa, 10 yksikkökoppia k m a N N atomia antaa N värähtelyn normaalimoodia. Pitkille ketjuille pisteet ovat hyvin tiheässä.

1 atomi / yksikkökoppi, N yksikkökoppia => N vapausastetta Reunaehdot k m a N k-pisteiden lkm N x 1 moodia ominaisarvojen lkm per k-piste atomia / yksikkökoppi, N yksikkökoppia => xn vapausastetta k-pisteiden lkm N x moodia ominaisarvojen lkm per k-piste

Kvantisoidut värähtelyt Käsitellään kiteen atomeja kvanttimekaanisina harmonisina värähtelijöinä, joilla on ym. taajuudet.

Yksi harmooninen oskillaattori: kvanttimekaanien malli Energiatasot kvantittuneet ja tasavälein: 1 En n M

Aaltofunktiot: image source: wikimedia, author AllenMcC.

Pitkä ketju: kvanttimalli Koska k-arvot ovat kvantittuneet, k voidaan ymmärtää myös kvanttiluvuksi Näitä eksitaatioita kutsutaan fononeiksi. Dispersiota kutsutaan yleisesti fononien dispersiokäyräksi.

Fononit <-> Fotonit Vahva analogia: bosonisia eksitaatioita Molempia kuvaa kvanttimekaaninen harmooninen oskillaattori Aaltohiukkasdualismi

3D kiinteät aineet 1D Kuutiollinen kide, jonka hilavakio on a, kiteen sivun pituus L ja N yksikkökoppia joka suunnassa 3D Monta indeksiä, esim. liikeyhtälöstä M x m j n i n i m j m j Ratkaisujen lkm: 3 x atomeja per yksikkökoppi x yksikkökoppien lkm Ratkaisujen lkm per k-piste 1BZ:ssa: 3 x atomeja per yksikkökoppi x 0

Ensimmäinen Brillouinin vyöhyke Reaaliavaruus Käänteisavaruus

Fononit yhdessä dimensiossa haara Fononit 3D:ssä: 3D aaltovektori haara

Fononit 3D-kiteessä: alumiini Kokeellinen dispersiorelaatio epäelastisesta röntgensironnasta / neutronisironnasta.

Fononit 3D-kiteessä: alumiini

Fononit 3D-kiteessä: timantti Epäelastisesta röntgensironnasta / neutronisironnasta. Akustinen ja optinen haara erottuvat.