포논

1. 개요[편집]

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음향 양자, 또는 영어로 포논(phonon)은 결정의 격자의 진동을 준입자 개념으로 설명한 것이다. 그리스어로 소리를 뜻하는 포네(φωνή)에 입자(particle)를 뜻하는 어미인 논(-non)을 붙여 만든 단어다.

결정 내부의 원자들은 전자기력으로 서로 상호작용을 한다. 결정 안에 있는 모든 원자에 의한 상호작용을 고려할 경우 결정의 성질을 계산하기가 매우 어렵다. 대신 원자의 이웃한 격자점 간의 상호작용만 고려하여도 결정의 성질을 어느정도 잘 설명할 수 있다. 이 설명을 좀 더 간단하게 하기 위해서 긴 고무줄 위에 공이 일정한 간격으로 늘어서 있다고 가정하자. 이 경우 공이 바로 격자점이 되는 것이고 공과 고무줄은 결정 전체를 뜻한다.

이때 공 하나를 잡고 왼쪽이나 오른쪽으로 당기고 놓게 되면 고무줄의 탄성력에 의해 건드린 공은 좌우로 흔들리게 된다. 그러나 그 흔들리는 공의 바로 옆에 있는 공들도 마찬가지로 진동으로 인해 흔들릴 것이고, 곧 고무줄 위에 있는 공 전체가 좌우로 흔들릴 것이다. 이러한 격자 내 진동을 그 점에서의 정상파로 표현하게 되면 양자역학에 따라 정상파들이 가질 수 있는 배열(configuration) 조합이 2차 양자화되어 있다는 사실을 확인할 수 있다. 전자기파의 양자화된 알갱이를 광자라 하는 것처럼, 이 양자화된 역학적 진동이 바로 포논의 정체이다.

2. 상세[편집]

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포논은 결정이 가진 열에너지가 어떤 식으로 퍼져나가는지 설명하는데 가장 중요한 역할을 한다. 결정 내에서 열에너지는 위에서 설명한 고무줄과 공의 예시처럼, 열에너지가 포논으로 바뀌어서 결정 전체로 퍼져나가는 현상을 서술할 수 있게 된다. 결정의 열전도를 설명하는데 포논은 빼놓을 수 없다.

포논은 보스 - 아인슈타인 분포를 따르는 보손입자이다. 파울리 배타원리를 따르지 않기 때문에 어떤 계 내의 포논들이 동일한 상태를 갖는 것이 가능하다. 또, 포논의 숫자를 보존하는 대칭성이 없기 때문에 격자내의 포논 밀도 혹은 숫자는 온도와 상태밀도 따라 결정된다. 따라서 계가 바닥상태가 되는 절대영도에서는 포논이 존재하지 않는다.

금속 내부의 포논은 자유전자와 산란을 일으켜 자유전자의 흐름을 방해한다. 따라서 금속의 온도가 올라 포논의 밀도가 증가하면 전기 저항이 커지게 된다. 포논과 자유전자의 산란은 자유 전자 모형에서 예측한 비저항이 실제 값과 달라지게 되는 요인 중 하나이기도 하다.