聲子[物理名詞]

聲子（Phonon）是晶體中晶體結構集體激發的準粒子，化學勢為零，服從玻色-愛因斯坦統計，是一種玻色子。聲子本身並不具有物理動量，但是攜帶有準動量，並具有能量（其中為約化普朗克常數）。根據南部-戈德斯通定理，任何連續性整體對稱性的自發破缺，必然對應一個零質量的玻色子。聲子就是平移對稱性被晶格的點陣結構自發破缺以後對應的玻色子。聲子與電子的相互作用，是導致BCS超導的關鍵機制。

基本信息

• 中文名：聲子
• 英文名：phonon

• 簡介：晶格振動的簡正模能量量子
• 聲子晶體：存在彈性波帶隙

基本簡介

聲子（phonon）是指晶格振動的簡正模能量量子。在固體物理學的概念中，結晶態固體中的原子或分子是按一定的規律排列在晶格上的。在晶體中，原子間有相互作用，原子並非是靜止的，它們總是圍繞著其平衡位置在作不斷的振動。另一方面，這些原子又通過其間的相互作用力而連繫在一起，即它們各自的振動不是彼此獨立的。原子之間的相互作用力一般可以很好地近似為彈性力。形象地講，若把原子比作小球的話，整個晶體猶如由許多規則排列的小球構成，而小球之間又彼此由彈簧連線起來一般，從而每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播。這種振動在理論上可以認為是一系列基本的振動（即簡正振動）的疊加。

聲子晶體

二維聲子晶體的能帶結構

聲子晶體存在彈性波帶隙、彈性常數及密度周期分布的材料或結構被稱為聲子晶體。聲子晶體的概念是類比光子晶體的概念提出來的。彈性波在聲子晶體中傳播時，受其內部周期結構的作用，形成特殊的色散關係（能帶結構），色散關係曲線之間的頻率範圍稱為帶隙。理論上，帶隙頻率範圍的彈性波傳播被抑制，而其它頻率範圍（通帶）的彈性波將在色散關係的作用下無損耗地傳播。當聲子晶體的周期結構存在缺陷時，帶隙頻率範圍內的彈性波將被局域在缺陷處，或沿缺陷傳播。因此，聲子晶體可用於控制彈性波的傳播，在新型聲學器件、減振降噪領域具有廣闊的套用前景。在聲子晶體中，與彈性波傳播相關的密度和彈性常數不同的材料按結構周期性複合在一起，分布在格點上相互不連通的材料稱為散射體，連通為一體的背景介質材料稱為基體。聲子晶體按其周期結構的維數可分為一維、二維和三維，其典型結構圖2所示，圖中的點線表示在周期方向的延拓，(a)為一維結構，(b)和(c)分別為二維及三維結構。

聲子散射

聲子是一種非真實的準粒子，是用來描述晶體原子熱振動——晶格振動規律的一種能量量子，它的能量等於ħωq。
當晶體中的載流子運動時，即會遭受到熱振動原子的散射（靜止原子並不散射載流子），它們交換能量將以ħωq為單元進行，若電子從晶格振動獲得ħωq能量,就稱為吸收一個聲子；若電子交給晶格ħωq能量,就稱為發射一個聲子。這種作用可採用載流子與聲子的散射來描述，即稱為聲子散射。
系統中聲子的數目與溫度有關：因為溫度越高，晶格振動就越劇烈，其能量量子數目就越多，即聲子數也就越多。因此隨著溫度的上升，聲子散射載流子的作用也就越顯著。
在室溫下、或者更高的溫度下，半導體中的載流子主要是遭受到聲子的散射（只有在很低的溫度下才是以電離雜質中心的散射為主）。所以，溫度越高，載流子遭受到聲子散射的幾率就越大，從而遷移率和擴散係數也就越小。一般，在室溫下，由於聲子散射的緣故，半導體載流子遷移率隨著溫度T的升高而T^(-3/2)式地下降。至於晶體中聲子之間的相互作用，如果聲子的動量沒有發生變化，而是兩個聲子碰撞而產生第三個聲子的過程，就常常簡稱為正規碰撞（散射）過程或者N過程。因為正規碰撞過程只改變動量的分布，而不影響熱流的方向，故對熱阻沒有貢獻。

曳引效應

在晶體中存在聲子勢場波時，如果晶體電子的平均自由程比聲波的波長（λ=2π/q）要小（q為聲子的波數），則電子會不斷遭受聲子散射而損失能量，從而電子將被聲子勢場波的波谷所俘獲。在電子被聲子勢場波俘獲的情況下，當聲波在晶體中傳播時，電子即被聲子勢場波牽引著向前，這就是所謂聲子曳引效應。