Ein Phonon ist eine Energiemenge, die sich in einer Schwingung befindet. Diese sind in allen aktiv schwingenden Objekten wie Quarzkristallen vorhanden. Ein Phonon kann man sich als Resonanzteilchen innerhalb einer Welle vorstellen. So wie ein „Photon“ ein Quantenteilchen in einer Lichtwelle ist, ist ein Phonon ein Teilchen in einer Schallwelle. Der Begriff „Phonon“ leitet sich vom griechischen Wort „phone“ ab, was „Klang oder Stimme“ bedeutet.
Dem russischen Physiker Igor Tamm wird zugeschrieben, als erster das Konzept der Phononen theoretisiert zu haben. Seit der Einführung dieses Konzepts im Jahr 1932 wurden diese Größen in den als Quantenmechanik bekannten Teilbereich der Physik integriert. Sie sind Teil der aufstrebenden und fortlaufenden Forschung in der Physik. Ein Phonon wird oft als „Quasiteilchen“ oder „kollektive Erregung“ klassifiziert, was im Allgemeinen bedeutet, dass es als Phänomen beobachtet, aber nicht spezifisch als einzelnes physikalisches Objekt extrahiert werden kann.
Phononen verhalten sich nicht wie unabhängige Teilchen, sondern interagieren mit anderen Phononen innerhalb eines Objekts. Diese Wechselwirkung bewirkt, dass Gruppen von Phononen Ketten oder Gitterstrukturen bilden. Ein Phonon kann seine Energie auf das nächste in der Kette übertragen. Ein langes Gitter oder eine Gruppe davon ist in der Lage, kontinuierlich Energie in Form von Strom oder Wärme zu übertragen.
Das Verständnis des Verhaltens von Phononen wird von vielen thermodynamischen Experten als der Schlüssel zu sehr effizienten leitenden oder isolierenden Materialien angesehen. In den Bereichen Informatik und Energiespeicherung ist eine hohe Leitfähigkeit wichtig, während bei Schutzmaterialien eine extreme Isolierung sinnvoll ist. Die Forschung geht weiter, da einige Wissenschaftler glauben, dass nützliche Materialien als Ergebnis der Untersuchung der Funktionsweise und Interaktion von Phononen hergestellt werden können.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben 2010 ein solches Material entwickelt. Die MIT-Experten kombinierten mehrere Schichten unterschiedlichen Kristallmaterials in einem Muster, das Phononen reflektieren sollte. Während des Experiments stoppte das Kristallmaterial erfolgreich die Bewegung der Phononen und ließ sie in die entgegengesetzte Richtung reflektieren oder „zurückprallen“.
Die Phononenforschung kann in Zukunft zur Entwicklung praktischer Entwicklungen führen. Einige Beispiele für Erfindungen, die durch Manipulation von Phononen möglich sind, umfassen schützende thermische Abschirmung für Raumschiffe, überlegene Isolierung für eiskalte Umgebungen und Energiekollektoren für tragbare Geräte. Eine erfolgreiche Manipulation kann zu wissenschaftlichen Durchbrüchen führen, ähnlich dem schnellen Wachstum der Festkörperelektronik wie Transistoren in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts.