En física , un fonón es una excitación colectiva en un arreglo elástico periódico de átomos o moléculas en materia condensada , específicamente en sólidos y algunos líquidos . A menudo denominado cuasipartícula , [1] es un estado excitado en la cuantización de la mecánica cuántica de los modos de vibración de las estructuras elásticas de las partículas que interactúan. Los fonones se pueden considerar como ondas de sonido cuantificadas , similares a los fotones .como ondas de luz cuantizadas . [2]
El estudio de los fonones es una parte importante de la física de la materia condensada. Desempeñan un papel importante en muchas de las propiedades físicas de los sistemas de materia condensada, como la conductividad térmica y la conductividad eléctrica , además de desempeñar un papel fundamental en los modelos de dispersión de neutrones y efectos relacionados.
El concepto de fonones fue introducido en 1932 por el físico soviético Igor Tamm . El nombre fonón proviene de la palabra griega φωνή ( phonē ), que se traduce como sonido o voz , porque los fonones de longitud de onda larga dan lugar al sonido . El nombre es análogo a la palabra fotón .
Un fonón es la descripción mecánica cuántica de un movimiento vibratorio elemental en el que una red de átomos o moléculas oscila uniformemente a una sola frecuencia . [3] En mecánica clásica esto designa un modo normal de vibración. Los modos normales son importantes porque cualquier vibración reticular arbitraria puede considerarse una superposición de estos modos de vibración elementales (cf. análisis de Fourier ). Mientras que los modos normales son fenómenos ondulatorios en la mecánica clásica, los fonones tienen forma de partículas.propiedades también, de una manera relacionada con la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.
Las ecuaciones de esta sección no utilizan axiomas de la mecánica cuántica, sino relaciones para las que existe una correspondencia directa en la mecánica clásica.
Por ejemplo: una red rígida, regular, cristalina (no amorfa ) está compuesta de N partículas. Estas partículas pueden ser átomos o moléculas. N es un número grande, digamos del orden de 10 23 , o del orden del número de Avogadro para una muestra típica de un sólido. Dado que la red es rígida, los átomos deben ejercer fuerzas entre sí para mantener a cada átomo cerca de su posición de equilibrio. Estas fuerzas pueden ser fuerzas de Van der Waals , enlaces covalentes , atracciones electrostáticas y otras, todas las cuales se deben en última instancia a la fuerza eléctrica . Magnéticoy las fuerzas gravitatorias son generalmente despreciables. Las fuerzas entre cada par de átomos pueden caracterizarse por una función de energía potencial V que depende de la distancia de separación de los átomos. La energía potencial de toda la red es la suma de todas las energías potenciales por pares multiplicada por un factor de 1/2 para compensar la doble contabilización: [4]