Можно исследовать колебания кристаллической решетки с помощью видеокамеры? Вопрос кажется глупым - конечно же нет! Однако не стоит спешить с ответом - как показывает работа американских ученых, в некоторых случаях возможно и такое: кривые дисперсии для “пламенного кристалла” были экпериментально определены с помощью видеосъемки.

Наиболее разумный, чтобы не сказать единственно возможный, способ описания “внутренней жизни” твердых тел - разговор на языке квазичастиц, элементарных возбуждений. Например, невозможно проследить за движением каждого атома кристаллической решетки, но можно представить “дрожание” кристаллической решетки как совокупность существующих в кристалле квазичастиц, представляющих собой не хаотические, а коррелированные смещения соседних атомов кристаллической решетки. Каждая такая квазичастица (квант колебаний кристаллической решетки называется фононом) характеризуется определенной энергией и квазиимпульсом. Соответственно, исследование свойств кристалла с точки зрения колебаний решетки будет состоять в определении закона дисперсии фононов (об экспериментальных исследованиях колебаний кристаллической решетки в твердых телах см., например, в нашей новости ), исследовании фонон-фононного взаимодействия (в гармоническом приближении фононы не взаимодействуют, но во многих случаях необходим учет ангармонизма) и т.д.

Наблюдать за смещениями множества отдельных атомов в обычных кристаллах невозможно, однако может ситуация измениться, если мы имеем дело с кристаллической решеткой, в узлах которой сидят макроскопические объекты, а не атомы. Именно с такой системой работали исследователи из университета штата Айова [1]. В их экспериментах в газоразрядную плазму, создаваемую с помощью радиочастотного электромагнитного поля, были введены полимерные микросферы с радиусом порядка четырех микрон. В плазме полимерные микросферы приобретали отрицательный заряд и, вследствие этого, имело место кулоновское взаимодействие между ними. Конечно, потенциал взаимодействия не чисто кулоновский - сonst/r * exp(-r/l _D): из-за того, что заряженные шарики погружены в газ заряженных же частиц (ионов и электронов), их поле экранируется этими частицами и на больших расстояниях (характерный масштаб - дебаевский радиус экранирования l _D) потенциал cпадает фактически по экспоненциальному закону.

Рис.1. Схема эксперимента; кристаллическая решетка была образована примерно 5500 микросферами; размер кристалла составлял порядка 7 см.

Полимерные шарики “висели” над нижним электродом (схема эксперимента показана на рис.1) и их совокупность была локализована в горизонтальном направлении. Взаимодействие между шариками приводило к образованию упорядоченной структуры - двумерного “плазменного кристалла” (двумерная треугольная кристаллическая решетка показана на вставке на рис.1). Образовавшаяся структура подсвечивалась He-Ne лазером. С помощью видеосъемки американские исследователи фиксировали последовательные изменения положения шариков и, таким образом, могли определить распределение шариков по скоростям. Обработав полученную информацию, ученые получили фононный спектр, который хорошо согласовался с теоретически рассчитанным законом дисперсии колебаний кристаллической решетки (напомним, что для простой двумерной решетки должны существовать две так называемые акустические ветви колебаний кристаллической решетки - “продольная” и “поперечная”). Таким образом, впервые фононный спектр был экспериментально определен столь экзотическим способом - с помощью наблюдения за хаотическим движением отдельных частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки.

1. S.Nunomura, J.Goree, S.Hu et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 035001 (2002).

Е.Онищенко.