En fonon är en mängd energi som finns i en vibration. Dessa finns i alla föremål som aktivt vibrerar, till exempel kvartskristaller. Ett sätt att betrakta en fonon är som en resonerande partikel i en våg. Precis som en ”foton” är en kvantpartikel i en ljusvåg, är en fonon en partikel i en ljudvåg. Termen ”fonon” kommer från det grekiska ordet ”telefon”, som betyder ”ljud eller röst”.
Den ryske fysikern Igor Tamm tillskrivs den första teoretiseringen av begreppet fononer. Sedan detta koncept introducerades 1932 har dessa storheter integrerats i den gren av fysiken som kallas kvantmekanik. De är en del av framväxande och fortsatt forskning inom fysik. En fonon klassificeras ofta som en ”kvasipartikel” eller ”kollektiv excitation”, vilket generellt betyder att den kan observeras som ett fenomen men inte specifikt extraheras som ett enskilt fysiskt objekt.
Fononer beter sig inte som oberoende partiklar, utan interagerar istället med andra fononer inom ett objekt. Denna interaktion gör att grupper av fononer bildar kedjor eller gitterstrukturer. En fonon kan överföra sin energi till nästa i kedjan. Ett långt gitter eller en grupp av dessa kan överföra kontinuerlig energi i form av el eller värme.
Att förstå fononernas beteende ses av många termodynamiska experter som nyckeln till att skapa mycket effektiva ledande eller isolerande material. Hög ledningsförmåga är viktigt inom datavetenskap och energilagring, medan extrem isolering är användbar för skyddsmaterial. Forskningen fortsätter, eftersom vissa forskare tror att användbara material kan byggas som ett resultat av att studera hur fononer fungerar och interagerar.
Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) skapade ett sådant material 2010. MIT-experterna kombinerade flera lager av olika kristallmaterial i ett mönster utformat för att reflektera fononer. Under experimentet stoppade kristallmaterialet framgångsrikt fononernas rörelse och fick dem att reflektera eller ”studsa” tillbaka i motsatt riktning.
Fononforskning kan leda till utveckling av praktisk utveckling i framtiden. Några exempel på uppfinningar som är möjliga genom att manipulera fononer inkluderar skyddande termisk skärmning för rymdskepp, överlägsen isolering för frysande kalla miljöer och energiuppsamlare för bärbara enheter. Framgångsrik manipulation kan leda till vetenskapliga genombrott som liknar den snabba tillväxten inom solid state-elektronik som transistorer under andra hälften av 20-talet.