Phonon: Das ist der Klang der Quantenwelt

Vom Anschlagen einer Gitarre bis zum Bellen Ihres Hundes breiten sich alle Töne im Raum um uns herum mittels einer mechanischen Welle aus. Die Welle komprimiert und dekomprimiert die Luft bzw. das materielle Medium, in dem sie sich bewegt, weshalb wir sie hören.

Ähnlich verhält es sich mit den Schwingungen der Atome in einem kristallinen Festkörper, also jenen Festkörpern, deren Atome periodisch in drei Dimensionen angeordnet sind, wie etwa ein Kupferblech, ein Stück Eis oder ein Diamant.

In der Unterwelt der Atome gelten für den Klang von Quantenteilchen andere Gesetze als für eine Gitarrensaite oder das Bellen eines Hundes. Die von diesen Wellen getragene Energie, die das Ergebnis der Bewegung von Atomen ist, muss den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen und Energie in Form von Paketen oder Energiequanten übertragen.

Die Nanowelt der Phononen

Jedes Material, das unter dem Mikroskop betrachtet wird, besteht aus Atomen, die sich verbinden, um eine bestimmte Form zu erhalten, von einer Wand bis zum menschlichen Körper, von Fingernägeln bis zu Herzzellen. Moleküle sind stabile, elektrisch neutrale Kombinationen von Atomen.

In einem kristallinen Festkörper sind die Atome in geordneter Weise in einer einheitlichen und sich wiederholenden Struktur angeordnet. Wir können uns ein Netzwerk vorstellen, in dessen Knotenpunkten die Atome verankert sind, mit einer Besonderheit: Sie stehen nie still, sondern schwingen um ihre Gleichgewichtslage. "Dann beginnt die Symphonie", sagt Gloria Anemone, Doktorandin für Quantitative Methoden am CUNE und Vertragsdozentin am CUNEF.

Man könnte annehmen, dass sich die Bindungen zwischen diesen Atomen im Wesentlichen wie Federn verhalten, so dass sich bei ihrer Bewegung eine Welle im Kristall ausbreitet. Aber wenn wir diese Welle mit den Augen der Quantenmechanik betrachten, würden wir sie aufgrund des Prinzips des Wellen-Korpuskel-Dualismus auch als Teilchen sehen.

Das Phonon erscheint dann und bewegt sich durch den Kristall, wobei es mit anderen Teilchen wie Elektronen in Wechselwirkung tritt. Unter bestimmten Bedingungen führt diese Wechselwirkung zu faszinierenden Phänomenen wie der Supraleitung.

Das Wort Phonon kommt aus dem Griechischen phonos und bedeutet Klang oder Stimme. Ein Phonon ist ein Quantenobjekt, das aus den kollektiven Schwingungen von Milliarden von Atomen in einem kristallinen Gitter entsteht. Es wird als Quasiteilchen oder kollektive Anregung eingestuft.

Im Gegensatz zu einem Teilchen, wie einem Elektron oder einem Atom, das isoliert und unabhängig existieren kann, hat ein Quasiteilchen keine eigene Existenz außerhalb des Systems, in dem es auftritt. Wir können freie Elektronen haben, aber Phononen existieren nur als Ausdruck des kollektiven Verhaltens der Materie. Aufgrund ihres kollektiven Charakters benötigen sie ein angeregtes Medium, um zu existieren, genau wie der Schall.

Wenn die kristalline Struktur fehlt und wir in die Welt der amorphen Materialien eintreten, wird die mittlere freie Weglänge der Phononen sehr klein, so dass sich die Wellen nur schwer ausbreiten können. In diesen amorphen Materialien gibt es keine Harmonie. Es ist wie in einem Orchester, in dem jeder Musiker ein anderes Stück spielt.

Phononen und Wärmeleitfähigkeit

Eine der wichtigsten Funktionen der Phononen ist ihr Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit von Materialien, insbesondere von Nichtmetallen, da in Metallen die Elektronen einen größeren Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit haben.

Wenn ein Material erhitzt wird, wird die Wärmeenergie von den Atomen absorbiert, die daraufhin anfangen, stärker zu schwingen. Diese Schwingungen pflanzen sich in Form von Phononen durch das Material fort und übertragen Wärmeenergie von einem Teil des Materials auf einen anderen.

Im Allgemeinen erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit, wenn sich die Phononen ohne allzu viele Hindernisse (Defekte, Verunreinigungen und Kanten im Material) durch das Material bewegen können. Und natürlich, wenn es nicht viele Phononen gibt.

Es kann auch vorkommen, dass die Phononen miteinander kollidieren und die Wärmeleitfähigkeit verringern. Das bedeutet, dass die Wärmeleitfähigkeit nicht durch eine Temperaturerhöhung erhöht wird, sondern nur ein Maximum erreichen kann, das vom Material, seiner Struktur, Reinheit und seinen Abmessungen abhängt.

Die Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit ist entscheidend für die Wahl des richtigen Materials, je nachdem, ob es sich um wärmeisolierende Materialien wie Holz oder Polymere oder um gut leitende Materialien wie Diamant handelt.

Phononen für eine bessere Zukunft

Die Erforschung der Welt dieser Quasiteilchen ermöglicht es uns, die Geheimnisse zu lüften, die die Ausbreitung von Schall und die Wärmeleitfähigkeit von Materialien bestimmen und wie Phononen die elektronischen Eigenschaften von Materialien beeinflussen.

Diese Phase ist grundlegend für die Entwicklung neuer Technologien, von der Nanotechnologie bis zur Spitzenelektronik. Und ganz nebenbei haben wir dabei entdeckt, dass es in den Tiefen der Materie auch Musik gibt.

Quellenhinweis:

The Conversation. "Fonón: el sonido del mundo cuántico". 2024.