Física de Materiales. Fonones (I).

Al escuchar o leer sobre los fonones, lo primero que a algunos se le viene a la cabeza es sonido. Esto se debe a que la palabra proviene del griego, y la verdad, uno no va tan descaminado. Porque si pensamos por encima qué es el sonido, vemos que se debe a la vibración del aire que estimula a nuestros oídos, y el cerebro ya se encarga del resto. Bien, pues si en vez de fijarnos en el aire nos dirigimos a sólidos cristalinos, es decir, sólidos con sus átomos muy ordenados periódicamente en las tres dimensiones, aparecen los fonones (en castellano la palabra cristal puede inducir a error, en ciencia significa orden y en el habla popular se refiere al vidrio, como el de las ventanas, que curiosamente está hecho de átomos desordenados).

Realmente, los fonones son algo bastante complejo. Para definirlos, lo mejor sería empezar por el principio, es decir, la vibración en dicha red de átomos ordenados. Al estudiar cómo vibran los objetos de un sistema, se ve que puede darse la posibilidad de que todos vibren a la vez, es decir, con la misma frecuencia (las veces que vibra en, por ejemplo, un segundo). Es en ese caso, llamado ‘modo normal de vibración’, cuando encontramos los fonones. Una de las muchas cosas curiosas que nos explica la mecánica cuántica es que esas frecuencias especiales en las que todos los elementos vibran a la vez no pueden ser cualquiera, se dice que esos modos están ‘cuantizados’. Otra característica sorprendente es que para comprender mejor qué características implican esos modos de vibración se les puede sustituir por partículas, o mejor dicho cuasipartículas, a las que llamaremos fonones.

Entonces, un científico que estudia como vibra un sólido puede olvidarse del grandísimo número de átomos que contiene, con todas las fuerzas y tensiones que existen entre ellos, y verlo desde otro punto de vista, como si fuera una caja con un ‘gas de fonones’, donde cada fonón contiene un poco de energía, por lo que si el sólido va dejando de vibrar el gas irá perdiendo fonones y viceversa. Entonces, ¿existen los fonones o nos los estamos inventando los físicos para sustituir un problema difícil en otro menos difícil? Buena pregunta.

 

El caso es que, pese a lo que nos podría decir a priori la intuición, ¡los fonones se han medido y detectado! Como la explicación a este hecho escapa un poco de esta breve introducción, habrá que esperar a futuras entradas, aunque sí que puedo destacar que existe una analogía con la luz, en la que lo que vibra no es el medio material sino el llamado campo electromagnético, y los fotones sí que tienen algo más (aunque no mucho más) de popularidad, el caso es que ambos son el mismo tipo de partículas, bosones, aunque recuerdo que los fonones son realmente cuasipartículas.

Estudiar los fonones de cada material es muy útil, pues están relacionados con su conductividad eléctrica, conductividad térmica (la conducción del calor), la velocidad del sonido en ellos, o la llamada capacidad calorífica (que relaciona la energía que aplicamos a un material y cuánto aumenta su temperatura, ya que no todos los materiales tienen la misma facilidad para calentarse).