2022-2023学年高二物理竞赛课件:离子晶体的长光学波(共19张PPT)

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2022-2023学年高二物理竞赛课件:离子晶体的长光学波(共19张PPT)

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离子晶体的长光学波
长光学波,在半波长范围内,正负离子各向相反的方向运动,电荷不再均匀分布,出现以波长为周期的正负电荷集中的区域。由于波长很大,使晶体呈现出宏观上的极化,因此长光学波又称为极化波。
由两种不同离子组成的一维复式格子。
1.黄昆方程
有效电场
宏观电场
宏观极化强度
离子晶体的极化
离子位移极化
电子位移极化
对于长光学波,在相当大的范围内,同种原子的位移相同,所以离子位移极化强度为:
对于立方晶格,洛伦兹提出了求解有效电场的方法,由理论分析得到:
e*为离子的有效电荷量
一个原胞内正负离子受到有效电场的作用,产生的电子位移极化强度为:
其中 为原胞的体积, + , - 分别为正负离子的电位移极化率,
则总的极化强度为:
将 代入,得:
= + + -
作用在离子上的除了准弹性恢复力以外,还要考虑到有效电场的作用。
则正负离子的运动方程为:
再看离子运动方程,我们对一维复式格子的方程
由上式 得:
引进位移参量
---黄昆方程
(1)式代表振动方程,右边第一项 为准弹性恢复力,第二项表示电场 附加了恢复力。
(2)式代表极化方程, 表示离子位移引起的极化,第二项表示电场 附加了极化。
晶体内无自由电荷,得
将电场分成有旋场和无旋场两部分,
2.LST关系(Lyddane—Sachs—Teller关系)
将黄昆方程 代入得
上式的成立条件是:
由黄昆方程得:
将上式中的有旋场与无旋场分开得到:
由麦克斯韦电磁波理论可知,
,则上式变为
上面两方框中式子均为简谐方程,由此得振动频率
为了将系数b11,b21(=b12)和晶体的介电系数联系起来,再考虑两种极端情况:
对于静电场,
,则由黄昆方程得:
将上式与
比较得:
式中 s是离子晶体的相对介电常数。
对于光频振动,离子的惯性已跟不上如此高频的振动,其位移W=0由黄昆方程(2)式得:
式中 是离子晶体的光频介电常量。

---著名的LST关系
光频介电常量
静电介电常量
有些晶体在某种温度下,
恢复力消失,发生位移的离子回不到原来平衡位置,即晶体结构发生了改变。在这一新结构中,正负离子存在固定的位移偶极矩,产生了所谓的自发极化。
(2)铁电软模(光学软模)
相当于弹簧振子系统中的弹簧丧失了弹性,即弹簧变软。称 的振动模式为铁电软模(或光学软模)。
3.极化声子和电磁声子
因为长光学波是极化波,且只有长光学纵波才伴随着宏观的极化电场,所以长光学纵波声子称为极化声子。
长光学横波与电磁场相耦合,它具有电磁性质,称长光学横波声子为电磁声子。

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