Fonó: el so del món quàntic

Imagine poder escoltar la simfonia amagada a l'interior dels materials, de tots els materials, un concert de vibracions que dona vida al que ens envolta. Benvingut al món dels fonons: ells són els artífexs de la música.

La paraula fonó procedix del grec phonos, que significa so o veu. De #ací ve també, per exemple, la paraula telèfon, que significa so a distància.

Un fonó és un objecte quàntic que emergix de les vibracions col·lectives de bilions d'àtoms en una xarxa cristal·lina. Es classifica com unisca cuasipartícula o excitació col·lectiva. A diferència d'una partícula, com un electró o un àtom, que pot existir de manera aïllada i independent, una cuasipartícula no té una existència pròpia fora del sistema en el qual apareix. Podem tindre electrons lliures, però els fonons només existixen com una manifestació del comportament col·lectiu de la matèria.

Precisament pel seu caràcter col·lectiu necessiten un mitjà que s'excite per a poder existir. Com ho necessita el so.

La propagació de l'ona en el nanomundo

Des de la música d'una guitarra fins al grunyit d'un goril·la, qualsevol so es propaga en l'espai que ens envolta a través d'una ona mecànica. L'ona comprimix i descomprimix l'aire, o el mitjà material en el qual es desplace, i per això la sentim.

Això és anàleg al que fan les vibracions dels àtoms en un sòlid cristal·lí. Però ull, perquè els sòlids cristal·lins no tenen res a veure amb el cristall de les finestres: es tracta de sòlids amb els seus àtoms molt ordenats periòdicament, en les tres dimensions, com per exemple una làmina de coure.

Com ocorre amb tantes altres coses en el submon dels àtoms, el so de les partícules quàntiques no respecta les mateixes lleis que regixen, per exemple, el cant dels ocells o el retrunyir d'un tambor.

L'energia transportada per estes ones, fruit del moviment dels àtoms, ha d'ajustar-se a les lleis de la mecànica quàntica i transmetre l'energia a través de paquets o quants d'energia, és a dir, de manera quantitzada.

El mini món dels fonons

Qualsevol material, vist al microscopi, està compost per àtoms que es connecten entre si per a adquirir una forma determinada, ja siga una paret o el propi cos humà, des de les ungles fins a les cèl·lules del cor. Les molècules són, de fet, combinacions estables i elèctricament neutres d'àtoms.

En un sòlid cristal·lí, els àtoms estan disposats de manera ordenada en una estructura uniforme i repetitiva. Podemos imaginar-nos una xarxa en els nodes de la qual estan ancorats els àtoms, amb una peculiaritat: mai es queden quiets! Vibren al voltant de la seua posició d'equilibri. En eixe moment, comença la simfonia.

Es pot considerar que els enllaços entre estos àtoms es comporten essencialment com a molls, de tal manera que quan un es mou una ona es propaga en tot el cristall. Però clar, si esta ona la miràrem amb ulls mecano-quàntics la veuríem també com una partícula a causa del principi de dualitat ona-corpuscle.

Apareix llavors el fonó, que es mou pel cristall interaccionant amb altres partícules com els electrons. Esta interacció, per exemple, sota unes certes condicions, dona lloc a fenòmens fascinants com la superconductivitat.

Quan mancada l'estructura cristal·lina i entrem en el món dels materials amorfs, el camí lliure mitjà dels fonons es fa molt xicotet, la qual cosa dificulta la propagació de les ones. En estos materials amorfs, no hi ha harmonia. És com una orquestra en la qual cada músic toca una peça distinta.

En esta orquestra no tot és so

Un dels rols més importants dels fonons és la influència que tenen sobre la conductivitat tèrmica dels materials, especialment en els no metalls, ja que en els metalls els electrons són els qui més influïxen en la conductivitat tèrmica. Quan es calfa un material, l'energia tèrmica és absorbida pels àtoms, que comencen a vibrar amb més vehemència.

Estes vibracions es propaguen a través del material en forma de fonons, transferint energia tèrmica d'una part del material a una altra. En general, la conductivitat tèrmica augmenta si els fonons poden viatjar pel material sense molts obstacles (defectes, impureses i vores en el material). I si no hi ha massa fonons, clar.

Sí, els fonons poden col·lidir entre ells i disminuir la conductivitat tèrmica, així que no per molt augmentar la temperatura augmentarà la conductivitat. Esta, de fet, aconseguirà un màxim que dependrà dels constituents del material, la seua estructura, la seua puresa i dimensions.

El coneixement d'este paràmetre és fonamental per a triar el material adequat segons vulguem materials tèrmicament aïllants, com la fusta o els polímers, o bons conductors, com el diamant.

Una composició per al futur

Explorar el món d'estes cuasipartículas no té com a objectiu escoltar una composició musical mai sentida per l'oïda humana (encara que no deixa de ser una meravellosa idea). Investigar-los ens permet desentranyar els misteris que regixen la propagació del so i la conductivitat tèrmica dels materials, i com estes cuasipartículas afecten les propietats electròniques dels materials.

Este coneixement és de fonamental importància per al desenrotllament de noves tecnologies, des de la nanotecnologia fins a l'electrònica d'avantguarda. I de pas, ens permet descobrir que en el més profund de la matèria també hi ha música.

Gloria Anemone, Professor Contractat Doctor de CUNE Universitat, Mètodes quantitatius, CUNEF

Este article va ser publicat originalment en The Conversation.