倒晶格

倒晶格向量(reciprocal lattice vector)

正如真實晶格由三個邊向量 a、b、c 生成(把你從一個晶格點帶到下一個的那些箭頭),倒晶格也由它「自己的」三個邊向量生成,寫作 a*、b*、c*(唸作「a 星」)。這三個帶星號的向量就是倒晶格基底:把它們各取整數倍疊起來,你就會落在每一個倒晶格點上。它們是建構整個影子世界的工具組。

帶星號的向量由真實向量依一條看似繁瑣的規則定義,但這條規則其實只做一件事——讓每個星向量指向某一組晶胞面的法線方向。用符號寫:a* = (b x c) / V、b* = (c x a) / V、c* = (a x b) / V,其中 'x' 是向量外積,V = a . (b x c) 是真實單位晶胞的體積。外積 b x c 同時垂直於 b 和 c,也就是垂直於 (100) 面——所以 a* 就是 (100) 晶面的法線,而它的長度算出來正是 1/d_100。整套規則最俐落的摘要是一張內積表:a*.a = 1、b*.b = 1、c*.c = 1,但 a*.b = 0、a*.c = 0,依此類推(每個星向量與自己的搭檔內積為 1,與其他向量內積為 0)。

一個微妙的收穫:除非晶體是立方,否則 a* 一般「並不」平行於 a。在傾斜的晶胞(例如單斜)中,倒晶軸會偏離直接晶軸,因為 a* 必須保持垂直於 b 和 c,而不是垂直於它自己。有一個常讓新手跌倒的慣例提醒:晶體學家用上述定義,得到 a*.a = 1、長度為 1/d。固態物理學家則插入一個 2 pi 因子,於是 a*.a = 2 pi、長度為 2 pi/d。兩者描述的是同一個晶格,只有尺度不同。本領域全程採用晶體學家的 1/d 慣例。

對於邊長 a = 3、b = 4、c = 5 埃(所有角度皆 90 度)的正交晶胞,各軸保持互相垂直,因此 a* = 1/a = 0.333、b* = 1/b = 0.25、c* = 1/c = 0.2 埃^-1。最長的真實邊(c = 5)給出最短的倒晶邊(c* = 0.2)——反比尺寸法則一行就看得出來。

在直角晶胞中,每個星向量就是自己那條邊的倒數;在傾斜晶胞中則需要外積公式。

a* 由「全部」三個真實向量定義,而不只是 a。常見的錯誤是以為 a* 是「a 的倒數」且指向相同方向;在非立方晶體中它並非如此,因為它必須垂直於 b 和 c。

又称
a*, b*, c*reciprocal basis vector倒晶格基向量