Осциляції Блоха

Осциля́ції Бло́ха — явище в фізиці твердого тіла. Воно описує осциляції частинки (наприклад, електрону), що знаходиться у періодичному потенціалі (в ролі такого потенціалу може виступати, наприклад, кристалічна ґратка) за умови прикладання деякої сили (наприклад, електричної).

Нехай рух частинки (електрона) в кристалі можна описувати квазікласично. Тоді, якщо на частинку діє постійна зовнішня сила ${\displaystyle F_{ext}}$, то її імпульс ${\displaystyle p=\hbar k}$ змінюється за законом Ньютона у вигляді:

${\displaystyle \hbar {\frac {dk}{dt}}=F_{ext}.}$

Припустимо, що на електрон діє зовнішнє електричне поле ${\displaystyle E}$. Тоді:

${\displaystyle F_{ext}=-eE,}$

де ${\displaystyle e}$ — це заряд електрона. Підставляємо цей вираз до закону Ньютона та інтегруємо, тоді маємо:

${\displaystyle k(t)=k(0)+{\frac {-eE}{\hbar }}t.}$

Припустимо, що закон дисперсії має вигляд (як, наприклад, у найпростішому випадку наближення сильного зв'язку):

${\displaystyle {\mathcal {E}}(k)=E_{0}\cdot \cos {ak},}$

де ${\displaystyle a}$ — постійна ґратки. Оскільки в квазікласичному наближенні залежність ${\displaystyle v(k)}$ має вигляд:

${\displaystyle v(k)={\frac {1}{\hbar }}{\frac {d{\mathcal {E}}}{dk}},}$

то, інтегруючи, отримаємо:

${\displaystyle x(t)=\int {v(k(t))}{dt}={\frac {E_{0}a\hbar }{-eE}}\cos \left({{\frac {-aeE}{\hbar }}t}\right).}$

Наведений аналіз демонструє, що при прикладанні зовнішнього електричного поля електрон не здійснюватиме інфінітний (необмежений) рух, а осцилюватиме. Слід зазначити, що в однорідних зразках, як правило, осциляції Блоха не спостерігаються, оскільки період цих осциляцій значно більший за характерні часи розсіяння електронів (на дефектах, фононах і т.д.). Спостерігати осциляції Блоха можна, наприклад, у надґратці.