Кіріспе

Кристалл торларының примитивті жасушасы, Вороной ыдырауын қолдану арқылы. Вигнер-Сейц жасушасы, Евгений Вигнер және Фредерик Сейцтің есімдерімен аталатын, кристалл торға Вороной ыдырауын қолдану арқылы құрастырылған примитивті жасуша. Ол кристаллографияда кристалл материалдарды зерттеуде қолданылады. Кристаллдың ерекше қасиеті – оның атомдары үш өлшемді реттелген қатарға орналасуында. Кристалл материалдарға тән барлық қасиеттер осы жоғары дәрежеде реттелген құрылымнан туындайды. Мұндай құрылым дискретті трансляциялық симметрияны көрсетеді. Мұндай периодтық жүйені модельдеу және зерттеу үшін симметрияны сипаттауға мүмкіндік беретін математикалық құрал қажет, содан кейін осы симметрияның нәтижесінде туындайтын материалдық қасиеттер туралы қорытынды жасауға болады. Вигнер-Сейц жасушасы осы мақсатқа жетудің бір жолы. Вигнер-Сейц жасушасы – примитивті жасушаның мысалы, ол дәл бір тор нүктесін қамтитын бірлік жасуша. Кез келген тор үшін шексіз көптеген примитивті жасушалар болуы мүмкін. Дегенмен, кез келген тор үшін тек бір ғана Вигнер-Сейц жасушасы бар. Ол – кеңістіктегі басқа тор нүктелеріне қарағанда осы тор нүктесіне жақын орналасқан нүктелердің жиыны. Вигнер-Сейц жасушасы, кез келген примитивті жасуша сияқты, тордың дискретті трансляциялық симметриясы үшін негізгі домен болып табылады. Импульс кеңістігіндегі өзара тордың примитивті жасушасы Бриллуэн аймағы деп аталады.

Өмірбаян

Вороной ыдырауын Питер Густав Лежун Дирихле зерттеді, нәтижесінде Дирихле домені деп атау пайда болды. Евграф Федоров (Федоров параллелеэдрі), Георгий Вороной (Вороной полиэдрі) және Пол Ниггли (Wirkungsbereich) де үлес қосты. Конденсацияланған заттық физикаға қолдануды алғаш рет 1933 жылы Юджин Вигнер мен Фредерик Зайц ұсынды, олар оны элементар натрийдегі еркін электрондар үшін Шредингер теңдеуін шешу үшін қолданды. Олар натрийдегі Вигнер-Сейц жасушасының пішінін, яғни қысқартылған октаэдрді, тең көлемді шар ретінде жуықтады және шардың бетінде мерзімді шекаралық шарттарды қатаң сақтап, Шредингер теңдеуін дәл шешті. Кейін Джон С. Слейтер Вигнер-Сейц жасушасының сфералық емес екенін ескере отырып, ұқсас есептеу жүргізді. Үш өлшемді кеңістікті ℝ^(3) мозаикалайтын бес топологиялық түрлі полиэдр бар. Бұлар параллелоэдрлер деп аталады. Олар жоғары өлшемдердегідей математикалық қызығушылық тудырады. Джон Хортон Конвей мен Нил Слоан ұсынғандай, осы бес параллелоэдрді проективті жазықтық тұжырымын қолдана отырып, үш өлшемді торларды жіктеуге болады. Дегенмен, топологиялық жіктеу кез келген аффиндік түрлендіруді бірдей классқа жатқызады, ал нақты жіктеу кеңістікті мозаикалайтын параллель қырлары бар Вороной полиэдрлерінің 24 түрлі класын анықтайды.

Анықтама

Вигнер-Зейц ұяшығы тор нүктесінің айналасындағы кеңістіктегі, басқа тор нүктелеріне қарағанда осы тор нүктесіне жақынрақ орналасқан нүктелердің жиыны ретінде анықталады. Математикалық тұрғыдан Вигнер-Зейц ұяшығының примитивті ұяшық екендігі дәлелденеді. Бұл ұяшықтың тікелей кеңістіктің барлық бөлігін қамтитынын, ешқандай бос орын немесе тесіктерді қалдырмай, теселяция деп аталатын қасиетке ие екенін көрсетеді.

Ұяшықты құру

Вигнер-Сейц ұяшығында бейнеленген жалпы математикалық ұғым көбінесе Вороной ұяшығы деп аталады, ал берілген нүктелік жиынтық үшін жазықтықтың осы ұяшықтарға бөлінуі Вороной диаграммасы деп танылады. Ұяшықты алдымен торлық нүкте таңдау арқылы анықтауға болады. Нүкте таңдалғаннан кейін, жақын орналасқан барлық торлық нүктелерге сызықтар жүргізіледі. Әр сызықтың ортасынан сол сызықтарға перпендикуляр басқа сызықтар салынды. Осылайша қоршалған ең кішкентай аудан Вигнер-Сейцтің бастапқы ұяшығы деп аталады. 3 өлшемді тор үшін қадамдар ұқсас, бірақ 2-қадамда перпендикуляр сызықтар салудың орнына, торлық нүктелер арасындағы сызықтардың ортасынан перпендикуляр жазықтықтар жүргізіледі. Барлық бастапқы ұяшықтар сияқты, Вигнер-Сейц ұяшықтары тордың барлық ауданын немесе көлемін толтыра алады, ал бос орын қалмайды. Жақын орналасқан торлық нүктелер үнемі тексеріледі, осылайша қоршалған аудан немесе көлем бастапқы ұяшық үшін дұрыс аудан немесе көлемге дейін жетеді. Егер тордың базалық векторлары торды азайту арқылы қысқартылса, тек торлық нүктелердің белгілі бір саны қолданылуы керек. Екі өлшемде тек бастапқы нүктемен ортақ төбесі бар 4 бірлік ұяшықты құрайтын торлық нүктелерді пайдалану қажет. Үш өлшемде тек бастапқы нүктемен ортақ төбесі бар 8 бірлік ұяшықты құрайтын торлық нүктелерді пайдалану қажет. Суретте: Денеорталық кубтық тордың Вигнер-Сейц ұяшығы - қысқартылған октаэдр. Қосымша шектеулерді көрсету үшін бірлік ұяшықтың параметрлері және базалық векторлар қолданылады. Топологиялық класс (аффиндік эквиваленті - параллелоэдр): Кесілген октаэдр, Ұзыншақ додекаэдр, Ромб додекаэдр, Алтыбұрышты призма, Куб. Бравайс торы: Бастапқы кубтық, Кез келген беторталық кубтық, Кез келген денеорталық кубтық, Кез келген бастапқы алтыбұрыштық, Кез келген бастапқы ромбоэдрлік, Бастапқы төртбұрыштық, Кез келген денеорталық төртбұрыштық, Бастапқы орторхомбтық, Кез келген негізорталық орторхомбтық, Кез келген беторталық орторхомбтық, Кез келген денеорталық орторхомбтық, Бастапқы моноклиндік, Негізорталық моноклиндік, , , , Бастапқы триклиндік, бір ретте.

Құрама торлар

Композиттік торлар үшін (базасында бірден көп векторлары бар кристалдар) әрбір жеке тор нүктесі бірнеше атомды көрсетеді. Біз әрбір Вигнер-Сейц жасушасын ең жақын тор нүктесінің орнына ең жақын атомға қарай одан әрі Вороной декомпозициясы арқылы кіші жасушаларға бөле аламыз. Мысалы, алманың кристалл құрылымы екі атомдық негізді қамтиды. Алмастағы көміртек атомдары тетраэдрлі sp3 байланысына ие, бірақ тетраэдрлер кеңістікті толық жаба алмайтындықтан, алманың кристалл құрылымының Вороной декомпозициясы іс жүзінде триакис қиылып қысқартылған тетраэдрлік ұяшық болып табылады. Тағы бір мысал – А15 фазаларындағы атомдарға Вороной декомпозициясын қолдану, бұл Вейр-Фелан құрылымының полиэдрлік жуықтауын құрайды.

Симметрия

Вигнер-Сейц ұяшығының әрқашан негізгі Браве торымен бірдей нүктелік симметриясы болады. Мысалы, куб, қиықталған октаэдр және ромбылық додекаэдрдың нүктелік симметриясы Oh болып табылады, себебі оларды жасау үшін қолданылған Браве торларының барлығы кубтық тор жүйесіне жатады, ал оның нүктелік симметриясы Oh.

Бриллюин аймағы

Іс жүзінде Вигнер-Сейц ұяшығы тікелей кеңістікті сипаттау үшін көбінесе қолданылмайды, оның орнына әдеттегі бірлік ұяшықтар пайдаланылады. Дегенмен, осы түрдегі жіктеу кері кеңістікке қолданғанда өте маңызды. Кері кеңістіктегі Вигнер-Сейц ұяшығы Бриллуан аймағы деп аталады, ол материалдың өткізгіш, жартылай өткізгіш немесе диэлектрик болатыны туралы мәліметтерді қамтиды.