Электрон-фононное взаимодействие – взаимодействие между двумя подсистемами квазичастиц в твердых телах, а именно, носителями заряда (блоховскими электронами в металлах, полупроводниках и диэлектриках или дырками в этих веществах) и тепловыми колебаниями кристаллической решетки твердых тел – фононами (рис.1). Конкретный вид гамильтониана электрон-фононного взаимодействия зависит от структуры кристалла, числа носителей заряда, характера зонного спектра и особенностей колебаний кристаллической решетки.

В идеальной кристаллической решетке все атомы или ионы узлов расположены строго периодически в пространстве и не двигаются (их можно считать «замороженными»).
Однако даже при температуре абсолютного нуля ионы совершают нулевые колебания. При температурах, отличных от нуля, возникают хаотические тепловые колебания ионов узлов решетки. Рост температуры приводит в металлах к росту числа фононов и увеличению сопротивления току, что хорошо наблюдается в чистых металлах в нормальном состоянии. В полупроводниках рост температуры также приводит к росту числа носителей заряда. Электрон-фононное взаимодействие оказывает существенное влияние на явления переноса в этих веществах, а также приводит к междолинным механизмам рассеяния электронов, ослаблению ультразвука, фононному увлечению и др. Кроме того, в кристаллических решетках имеются отклонения от идеальности, такие, как дислокации, межузельные атомы той же природы, что и основная решетка, вакантные узлы, примесные атомы внедрения в междоузлиях и замещение атомов в узлах решетки посторонними атомами.

При распространении колебаний в решётке происходит изменение её периода, что приводит к локальному изменению энергии носителей. Помимо этого деформационного механизма электрон-фононного взаимодействия возможны и другие. Так, в ионных кристаллах колебания решётки сопровождаются появлением у элементарной ячейки кристалла переменного дипольного электрического момента, влияющего на поведение носителей. В металлах имеет место плазменный механизм, обусловленный электродинамическим взаимодействием электронов и ионов. В пьезоэлектриках деформация решётки сопровождается возникновением электрического поля, что даёт дополнительный вклад в электрон-фононное взаимодействие, который в некоторых случаях (например, в области низких частот) может быть доминирующим. В кристаллах с большим значением диэлектрической проницаемости e существенный вклад в электронн-фононное взаимодействие вносит электрострикция.

Электрон-фононное взаимодействие обусловливает ряд специфических явлений в твердых телах:

1) движение электронов в кристалле сопровождается движением поля деформации (полярон);

2) электроны, испуская и поглощая фононы, переходят из одного состояния в другое;

3) в некоторых особых случаях электрон-фононное взаимодействие приводит к появлению сверхпроводимости и др. Частный случай электрон-фононное взаимодействие - акустоэлектронное взаимодействие.

Электрон-фононное взаимодействие (ЭФВ) в металлах является объектом интенсивного теоретического и экспериментального исследования. Интерес к этой проблеме связан с ролью электрон-фононного взаимодействия в описании таких фундаментальных физических явлений, как сверхпроводимость и процессы переноса в металлах. К настоящему времени существует последовательная многочастичная теория ЭФВ, описывающая как нормальное, так и сверхпроводящее состояния металла.  В рамках этого подхода все эффекты, связанные с ЭФВ, выражаются в конечном итоге через так называемые спектральные плотности ЭФВ. Одна из них, а именно функция Элиашберга, описывающая изменение одночастичпых свойств электронов в нормальном состоянии и фононный вклад в сверхпроводимость, может быть определена экспериментально. Эта функция восстанавливается из экспериментальных данных о зависимости туннельного тока между нормальным металлом и сверхпроводником от приложенного напряжения. Функция Элиашберга может быть определена лишь в металлах, являющихся сверхпроводниками. Более того, ее определение существенно затруднено для анизотропных сверхпроводников и сверхпроводников с малой длиной когерентности.

 

Полярон — квазичастица, состоящая из электрона и сопровождающего поля поляризации. Медленно движущийся электрон в диэлектрическом кристалле, взаимодействующий с ионами решётки, через дальнодействующие силы будет постоянно окружён областью решёточной поляризации и деформации, вызванной движением электрона. Двигаясь через кристалл, электрон проводит решёточную деформацию, потому можно говорить о наличии облака фононов, сопровождающего электрон. Понятие введено советским физиком С. И. Пекаром. Введение полярона позволяет объяснить некоторые свойства диэлектриков и полупроводников.

 

Фонон— квазичастица, введённая русским учёным Игорем Таммом. Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла.

Концепция фонона оказалась очень плодотворной в физике твёрдого тела. В кристаллических материалах атомы активно взаимодействуют между собой, и рассматривать в них такие термодинамические явления, как колебания отдельных атомов, затруднительно — получаются огромные системы из триллионов связанных между собой линейных дифференциальных уравнений, аналитическое решение которых невозможно. Колебания атомов кристалла заменяются распространением в веществе системы звуковых волн, квантами которых и являются фононы. Спин фонона равен нулю( в единицах h). Фонон принадлежит к числу бозонов и описывается статистикой Бозе-Эйнштейна. Фононы и их взаимодействие с электронами играют фундаментальную роль в современных представлениях о физике сверхпроводников. Акустический фонон обладает при малых волновых векторах линейным законом дисперсии, что делает его похожим на звуковые колебания (поэтому он и называется акустическим).

Наряду с электронами, акустические фононы дают вклад в теплоёмкость кристалла, который при малых температурах для электронного газа растёт линейно с температурой, а для акустических фононов следуя из модели Дебая наблюдается кубическая зависимость от температуры.