Kas ir fonons fizikā?

Krievu fiziķis Igors Tamms ir pirmais fononu jēdziena teorijas autors. Kopš šī jēdziena ieviešanas 1932. gadā šie daudzumi ir integrēti fizikas nozarē, kas pazīstama kā kvantu mehānika. Tie ir daļa no topošajiem un turpinātajiem fizikas pētījumiem. Fononu bieži klasificē kā “kvazidaļiņu” vai “kolektīvo ierosmi”, kas parasti nozīmē, ka to var novērot kā parādību, bet to nevar īpaši iegūt kā atsevišķu fizisku objektu.

Fononi nedarbojas kā neatkarīgas daļiņas, bet gan mijiedarbojas ar citiem fononiem objektā. Šī mijiedarbība liek fononu grupām veidot ķēdes vai režģa struktūras. Viens fonons spēj nodot savu enerģiju nākamajam ķēdē. Garš režģis vai to grupa spēj pārnest nepārtrauktu enerģiju elektrības vai siltuma veidā.

Daudzi termodinamikas eksperti uzskata, ka fononu uzvedības izpratne ir atslēga ļoti efektīvu vadošu vai izolācijas materiālu radīšanai. Augsta vadītspēja ir svarīga datorzinātņu un enerģijas uzglabāšanas jomās, savukārt ārkārtēja izolācija ir noderīga aizsargmateriāliem. Pētījumi turpinās, jo daži zinātnieki uzskata, ka fononu darbības un mijiedarbības izpētes rezultātā var izveidot noderīgus materiālus.

Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (MIT) pētnieki 2010. gadā izveidoja vienu šādu materiālu. MIT eksperti apvienoja vairākus dažādu kristālu materiālu slāņus, veidojot modeli, kas paredzēts fononu atspoguļošanai. Eksperimenta laikā kristāla materiāls veiksmīgi apturēja fononu kustību un lika tiem atstarot vai “atlēkt” atpakaļ pretējā virzienā.

Fononu pētījumi nākotnē var veicināt praktisku attīstību. Daži izgudrojumu piemēri, kas ir iespējami, manipulējot ar fononiem, ietver aizsargājošu termisko ekranējumu kosmosa kuģiem, izcilu izolāciju sasalšanas aukstā vidē un enerģijas kolektorus pārnēsājamām ierīcēm. Veiksmīgas manipulācijas var novest pie zinātniskiem sasniegumiem, kas līdzīgi cietvielu elektronikas, piemēram, tranzistoru, straujajam pieaugumam 20. gadsimta otrajā pusē.