フォノン
物理学では、フォノンは量子化された格子振動です。量子化という言葉は、物理学では、何かの特定の値しか許されないという意味で使われます。量子化されているものは、階段のように考えることができます。量子化されていないものは、スロープや滑らかな傾斜と考えることができます。格子は、結晶の繰り返しまたは周期的な構造です。結晶は、あるパターンの原子や分子で構成されています。原子や分子があるパターン上にある点が格子です。固体、液体、気体はすべて振動を経験することができます。振動が量子化されているということは、特定の周波数の振動しか許されていないことを意味します。
直感的には、格子振動が量子化される理由はありません。物質の巨視的、大規模な振動は量子化されておらず、基本的にはどのような周波数でも可能です。物質を構成する粒子（原子や分子）の微小な振動を考えて初めて、量子化とフォノンの概念が重要になってきます。フォノンがなぜ存在するのかを理解するためには、複雑な量子力学が必要です。詳しくは説明しませんが、結晶を構成する原子や分子の相互作用を量子力学的に解析します。これらの原子や分子は繰り返しパターンで配置されているため、振動の周波数を数学的に表現すると、量子化された値しか存在しないことがわかります。残念ながら、これを説明する簡単な方法はありません。
質問と回答
Q:フォノンとは何ですか?
A:フォノンとは、物理学でいうところの量子化された格子振動のことです。
Q: 物理学で「量子化」という言葉はどういう意味ですか?
A:物理学では、ある特定の値しか許されないという意味で量子化という言葉が使われます。
Q: 量子化されたものはどのように考えることができるのか?
A: 量子化されたものは階段のように考えることができます。階段は段から段へとしか移動できず、段の間に立つことはできません。
Q: 格子とは何ですか?
A: 格子とは、結晶の繰り返し構造または周期構造のことで、原子や分子が一定のパターンで並び、そのパターン上に原子や分子が位置する点を持つように構成されています。
Q: 固体、液体、気体はすべて振動を経験することができますか?
A:はい、固体、液体、気体のすべてが振動を経験することができます。
Q: なぜフォノンは存在するのですか?
A: フォノンが存在する理由を理解するためには、複雑な量子力学が必要です。詳細は省きますが、結晶を構成する原子や分子の相互作用は量子力学的に解析されます。原子が繰り返し配置されているため、振動数を数式で表すと、量子化された値しか許されないことがわかります。
