フォトン、フォノン

フォノンとフォトンは、同じものと勘違いしてしまうほど近い単語です。光子はエネルギーの塊であり、量子力学の基礎となるものである。フォノンとは、複数の原子の集団振動のことです。この2つの概念は、物理学において非常に重要なものです。光子論は、現代物理学のほとんどが依拠する基礎理論である。また、フォノンは物質やその内部振動を研究する上でも重要な概念である。今回は、フォノンとは何か、その類似性、定義、フォノンとフォトンの応用、そして最後にフォノンとフォトンの違いについて説明します。

フォトンとは？

波動力学では、光子が議論の対象となる。量子論では、波も粒子としての性質を持つことが観測されている。光の量子論では、光は波の束として伝播することが示されています。それぞれの波束は粒子として振る舞います。光子は波の粒子である。波の周波数にのみ依存する固定的なエネルギーである。ここで、Eは光子のエネルギー、hはプランク定数、fは波の周波数であり、E=hfという式で与えられる。光子はエネルギーの塊と考えられています。相対性理論が発展し、波にも質量があることが発見された。これは、波動が物質との相互作用において、粒子として振る舞うためである。しかし、光子の静止質量はゼロである。光子が光速で移動するとき、その相対論的質量はE/C2である。ここで、Eは光子のエネルギー、Cは真空中の光の種である。

フォノンとは？

固体や液体などの凝縮系物質では、物質が原子レベルで弾性を示す***。原子と原子の結合、分子と分子の結合は弾力的である。これが原子・分子の振動につながる。凝縮物質中の原子や分子の周期的な弾性配列における集団励起をフォノンと呼ぶ。このような振動する粒子の集まりを準粒子と呼ぶことがあります。量子力学では、結合の中で振動する電子は1次元の量子井戸と考えられている。準粒子はこのような電子の集まりであるため、2次元あるいは3次元の量子系とみなすことができる。フォノンとは、各粒子が同じ周波数で振動する格子の振動の特殊な形態である。これは古典力学では通常モードと呼ばれるものである。これは、フーリエの定理を用いて任意の格子運動の周波数を計算するのに有効です。