Internationaler Tag des Lichts | Licht besteht aus unzähligen Photonen, gibt es im Schall auch Phononen?

Wir alle wissen, dass ein Lichtstrahl unzählige Photonen enthält. Enthält also auch der Klang einer Explosion unzählige „Phononen“?

Das ist ein bisschen kompliziert, es ist so ...

usw! Gibt es so etwas wie „Phonon“?

Es gibt es seit 1932.

Neue Entdeckungen chinesischer Forscher

Im Februar 2024 veröffentlichte die Zeitschrift Nature Communications ein Forschungsergebnis von Forschern des Instituts für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, des Nationalen Zentrums für Nanowissenschaft und Technologie und anderer Einrichtungen.

Die Abbildung zeigt zwei verschiedene Stapelkonfigurationen in dreischichtigem Graphen: ABA-Stapelung und ABC-Stapelung.

Durch die Untersuchung der Diamant-Stapelstruktur von dreischichtigem Graphen haben chinesische Forscher entdeckt, dass in dem diamantbeschichteten dreischichtigen Graphen eine starke Wechselwirkung zwischen Elektronen und Infrarotphononen besteht, die voraussichtlich in Bereichen wie optoelektronischen Modulatoren und optoelektronischen Chips Anwendung finden wird.

Die Kopplung zwischen Elektronen und Phononen ist seit langem eines der wichtigsten Forschungsthemen in der Festkörperphysik und bildet zudem die theoretische Grundlage für viele neuartige physikalische Phänomene (wie etwa die Tieftemperatur-Supraleitung).

Jetzt wissen wir: Phononen existieren nicht nur in dieser Welt, sondern Phononen stehen auch mit vielen neuen physikalischen Phänomenen in Zusammenhang.

Also, was genau sind Phononen?

Ist es wirklich ein Teilchen?

Wie sieht es aus?

Welche Beziehung besteht zu Schall und Schallwellen?

…

Beginnend mit Photonen

Um den Ursprung der Phononen und ihre verschiedenen Eigenschaften besser zu verstehen, beginnen wir mit Photonen.

Die Menschen glaubten zunächst nicht, dass Licht aus Photonen besteht. Sie dachten einfach, Licht sei einfach nur Licht.

Viele Menschen glauben heute:

Ton ist einfach nur Ton. Genauer gesagt ist Schall lediglich eine Schwingung, eine Welle.

Nur wenige Menschen hätten darüber nachgedacht, dass Schall auch unzählige „Phononen“ enthalten könnte.

Später begannen einige Philosophen der Antike zu glauben, dass Licht aus unzähligen Teilchen bestehen könnte, aber das war nur eine Vermutung.

Dies ist die früheste „Teilchentheorie“, die gut erklärt, warum sich Licht immer geradlinig bewegt und reflektiert wird. Es ist jedoch unklar, warum sich die beiden Strahlen nach der Kollision nicht trennen.

Später entwickelte der britische Physiker Newton die Teilchentheorie des Lichts auf Grundlage der Arbeiten seiner Vorgänger weiter. Er glaubte, dass Licht aus winzigen Teilchen, sogenannten Photonen, besteht, die Masse und Geschwindigkeit besitzen und Newtons Bewegungsgesetzen gehorchen.

Im Jahr 1704 wurde Newtons optisches Werk „Optik“ veröffentlicht, das den Grundstein für die Teilchentheorie des Lichts legte.

Diese Grundlage wurde jedoch maßgeblich durch Newtons großen Ruhm erlangt, denn Huygens hatte bereits 1678 klar darauf hingewiesen, dass Licht eine Welle ist.

Im Jahr 1803 führte der britische Physiker Thomas Young das berühmte Doppelspalt-Interferenzexperiment mit Licht durch. Im Experiment stellte er fest, dass nach dem Durchgang des Lichts durch den Doppelspalt ein Interferenzphänomen auftrat, das nur bei Wellen auftreten kann.

Also schrieb Thomas Young ein Buch, um sich gegen Newtons Teilchentheorie zu stellen, doch da Newton zu berühmt war, scheiterte sein Widerstand.

Später kam James Maxwell und entdeckte durch seine Untersuchungen der elektromagnetischen Strahlung und des Lichts, dass sich elektromagnetische Wellen im Vakuum mit einer konstanten Geschwindigkeit ausbreiten und dass diese Geschwindigkeit genau der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Maxwell kam dann zu dem Schluss, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Nachdem Maxwells Theorie etabliert war, bewies der deutsche Physiker Heinrich Hertz mit unwiderlegbaren Experimenten, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Man kann sagen, dass eine der größten Errungenschaften der Physik im gesamten 19. Jahrhundert darin bestand, dass die Wellentheorie in allen optischen und elektromagnetischen Phänomenen bestätigt werden konnte. Doch Ende des 19. Jahrhunderts trat ein physikalisches Phänomen auf, das schwer zu erklären war.

Dieses schwer zu erklärende Phänomen ist der „photoelektrische Effekt“. Im Jahr 1887 stellte Hertz bei weiteren Experimenten fest, dass die Bestrahlung von Metallelektroden mit ultraviolettem Licht elektrische Funken erzeugen kann. Das heißt, Licht kann elektrische Effekte erzeugen.

Bis Einstein im Jahr 1905 die Abhandlung „Eine inspirierende Betrachtung der Erzeugung und Umwandlung von Licht“ veröffentlichte, in der er eine theoretische Erklärung für den photoelektrischen Effekt lieferte, ließ sich der photoelektrische Effekt mithilfe der Wellentheorie nur schwer erklären.

Auf dieser Grundlage schlug Einstein die Lichtquantenhypothese vor. Er glaubte, dass ein Lichtstrahl aus einer Gruppe diskreter Energieteilchen, sogenannten Lichtquanten , besteht und dass der Lichtstrahl keine kontinuierliche Welle ist.

Das von Einstein vorgeschlagene Lichtquant wurde später als Photon bezeichnet.

Zu diesem Zeitpunkt verfügten die Verfechter der Ansicht, dass Licht eine Welle sei, über starke experimentelle und theoretische Belege.

Diejenigen, die der Ansicht sind, dass Licht ein Teilchen ist, verfügen auch über starke experimentelle und theoretische Belege.

Schließlich ging die jahrhundertelange Welle-Teilchen-Debatte allmählich zu Ende.

Die Menschen waren gezwungen, die Tatsache zuzugeben:

Licht besitzt gleichzeitig die Eigenschaften von Wellen und Teilchen, was als Welle-Teilchen-Dualität bezeichnet wird.

Den Welle-Teilchen-Dualismus richtig verstehen

Meereswellen sind eine Art von Wellen. Man kann sich auch vorstellen, dass Meereswellen aus unzähligen Punktteilchen , also Wassermolekülen , bestehen. Ist es mit Licht dasselbe?

Unzählige Photonen bilden Wellen, und in dieser Welle weisen einzelne Photonen Teilcheneigenschaften auf. Ist das die Welle-Teilchen-Dualität?

Gar nicht.

Der sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus bedeutet, dass sogar ein Photon gleichzeitig eine Welle und ein Teilchen ist!

Sie stellen sich Photonen als Punktteilchen vor, aber Sie liegen falsch!

Sie stellen sich Photonen als Welle vor, falsch!

Dies ist nur dann richtig, wenn Sie sich das Photon als eine seltsame Kombination aus Welle und Teilchen zugleich vorstellen.

Doch die Frage ist: Wie können sich Menschen ein solches Monster überhaupt vorstellen? Ja, es ist fast unvorstellbar. Wie wir uns nicht vorstellen können:

eine violett-weiße Erdbeere;

Eine kleine Schlange wie ein großer Fluss;

Eine Katze, die sowohl tot als auch lebendig ist.

…

Dies ist einer der Gründe, warum die „Welle-Teilchen-Debatte des Lichts“ Hunderte von Jahren andauerte.

Nicht nur Sie, sondern auch die berühmten Wissenschaftler der Geschichte hatten in ihren frühen Tagen Schwierigkeiten, sich ein solches Monster klar vorzustellen.

Der Hauptgrund, warum viele Menschen die Quantenmechanik zu undurchsichtig und schwer verständlich finden, könnte folgender sein:

Als sie zum ersten Mal mit der Welle-Teilchen-Dualität in Berührung kamen, verwendeten sie die „Welle-Teilchen-Dualität“ nur in Prüfungen, anstatt sie vollständig in ihre eigene Wahrnehmung zu integrieren.

Der theoretische Festkörperphysiker Wen Xiaogang sagte einmal: „Die vierte Revolution in der Physik ist die Quantenrevolution. Diese Revolution zeigt, dass die wahre Existenz in unserer Welt weder aus Teilchen noch aus Wellen besteht, sondern sowohl aus Teilchen als auch aus Wellen.“

Dies bedeutet, dass mikroskopische Teilchen wie Photonen, Atome, Elektronen usw. eine Art Existenz darstellen, man in der Vergangenheit jedoch glaubte, dass es sich bei der „Existenz“ entweder um Teilchen oder um Wellen handelt, was offensichtlich falsch ist.

Die Quantenmechanik sagt uns, dass ihre wahre Existenz eigentlich darin besteht, dass sie sowohl Teilchen als auch Wellen sind. Diese „Existenzweise“ ist zwar schwer vorstellbar, aber dies ist das reale Universum, wie wir es heute kennen.

Die wahre „Existenz“ mikroskopischer Partikel ist für den Menschen mit seinem angeborenen Gehirn, das sich über Hunderttausende von Jahren entwickelt hat, schwer vorstellbar. Zu diesem Zeitpunkt:

Ändern Sie entweder die Art und Weise, wie mikroskopische Partikel existieren, oder ändern Sie Ihre eigene Wahrnehmung.

Offensichtlich ist Letzteres der einzige Weg.

Schematische Darstellung zum Verständnis des „Welle-Teilchen-Dualismus“, das Bild stammt aus Wikipedia, Autor des Bildes ist Jean-Christophe BENOIST

Quantisierung von Schallwellen

Da sich unsere Wahrnehmung verändert hat, wird das Verständnis von Phononen fast eine natürliche Entwicklung sein.

Schall ist eine Art Welle und die Schallwellen, die der Mensch hören kann, liegen auf einer makroskopischen Skala.

Die Frage ist: Wenn es Schallwellen auf der makroskopischen Ebene gibt, gibt es dann keine Schallwellen auf der mikroskopischen Ebene?

Das muss es geben. „Schallwellen“ im mikroskopischen Maßstab werden allgemein als „ Gitterwellen “ bezeichnet.

Jeder kennt Kristalle. Dabei handelt es sich um Strukturen, in denen Atome, Ionen oder Moleküle nach bestimmten Regeln periodisch angeordnet sind.

Diese periodische Struktur innerhalb eines Kristalls wird als „ Gitter “ bezeichnet.

Amethyst ist eine Art Quarz, also ein Siliziumdioxidkristall. Bild aus Wikipedia.

Siliziumdioxid hat viele verschiedene Kristallstrukturen, also unterschiedliche Gitter, und Quarz ist nur eine davon. Andere Gitter umfassen „lamellare Doppelschichtstruktur“ und so weiter.

Die lamellare Doppelschichtstruktur eines Siliziumdioxidkristalls, Draufsicht und Seitenansicht, Bild aus Wikipedia.

In einem Kristall ist das Gitter periodisch, aber nicht statisch; Die Atome, aus denen das Gitter besteht, erfahren thermische Schwingungen. Die Schwingung des Gitters ist die kollektive elastische Schwingung aller Atome im Kristall. Aus der Perspektive der räumlichen Periode hat es die Form einer Welle und wird daher „Gitterwelle“ genannt.

Bei dem Wort „Welle“ können wir an „Teilchen“ denken. Das ist richtig, die Quantisierung von Gitterwellen sind die in diesem Artikel besprochenen „Phononen“. Es handelt sich dabei um Energiequanten, die thermische Gitterschwingungen übertragen, und sie ähneln in gewisser Weise den „Photonen“, die Lichtwellen übertragen. Im Jahr 1932 schlugen sowjetische Physiker erstmals das Konzept der Phononen vor.

Phononen sind Quasiteilchen

Phononen haben Energie und verhalten sich wie Photonen, Elektronen usw. Sie haben die grundlegenden Eigenschaften von Teilchen. Darüber hinaus können Phononen auch Doppelspalt-Interferenzstreifen bilden, die Welleneigenschaften haben. Wie bei Photonen handelt es sich auch bei ihr um eine Welle-Teilchen-Dualität.

Allerdings können Phononen nicht unabhängig vom Atomgitter existieren; Im Vakuum existieren keine Phononen, aber Photonen können im Vakuum existieren.

Daher werden Phononen derzeit im Allgemeinen als eine Art „Quasiteilchen“ klassifiziert, und wir können sie einfach als eine Art „Ersatz“ für die uns bekannten Teilchen betrachten, da das charakteristische Verhalten ähnlich ist.

Phononen haben wie Photonen, Elektronen und andere Teilchen die duale Natur von Welle und Teilchen. Es besteht also kein Unterschied im Wesen ihrer Existenz.

Wo es auftreten kann und wo nicht, ist nicht der entscheidende Punkt. Es ist nur so, dass unterschiedliche Teilchen unterschiedliche Eigenschaften haben und der entscheidende Punkt ist, ob ihre Existenzweise zur Welle-Teilchen-Dualität gehört.

Obwohl Phononen in der Öffentlichkeit nicht so bekannt sind wie Photonen und Elektronen, ist die Untersuchung von Phononen ein wichtiger Teil der Festkörperphysik.

Da es auf dem Gebiet der „Kondensierten Materie“ noch viele äußerst faszinierende Unbekannte gibt, ist die Festkörperphysik derzeit eines der aktivsten Gebiete der Physik. Unvollständigen Statistiken zufolge machen die Forscher auf diesem Gebiet fast ein Drittel aller Physiker weltweit aus.

Autor: Hanmu Diaomeng, ein populärwissenschaftlicher Autor und Gewinner des „National Excellent Popular Science Work Award“ des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China

Hersteller: China Science and Technology Publishing Co., Ltd., China Science and Technology Publishing (Beijing) Digital Media Co., Ltd.