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Goethe-Universit¨ at Frankfurt Fachbereich Physik

Institut f¨ur Theoretische Physik Dr. Harald O. Jeschke

Dr. Yuzhong Zhang Dr. Hunpyo Lee

Frankfurt, Nov. 11, 2009

Theoretikum zur Einf¨ uhrung in die Theoretische Festk¨ orperphysik WS 2009/10

Exercise Set 4

(Due date: Tuesday, November. 17, 2009)

Exercise 9 (Vibrations in a linear chain) (20 points)

Consider a linear chain with two different masses M1, M2 per unit cell (lattice constant a) connected by springs (spring constant K).

M

1

M

2

a

a) Give the possible different force constants of the model and verify the symmetry properties of the matrix of force constants.

b) Show that the dynamical matrix is given by D =

2K

M1M2K

1M2 cosqa2

M2K

1M2 cosqa2 M2K

2

!

and solve the eigenvalue problem.

c) Discuss the dispersion ωs(*q)close to the center and the boundary of the Bril- louin zone and visualize the corresponding motion of the masses. What happens for M1 =M2 =M?

Exercise 10 (Two-dimensinonal lattice dynamics) (15 points)

An ideal two-dimensional crystal consists of only one kind of atom (of mass M), and each atom has an equilibrium location at a point of a square lattice *R(rs0) = a

r s

, where r,s = 1, 2, ...,N. The displacements from equilibrium are denoted by

u*rs = uxrs

uyrs

, i.e. R*rs =*R(rs0)+*urs =

ra+uxrs sa+uyrs

.

(2)

In the harmonic approximation the potential is given by V uxrs,uyrs

=X

r,s

K1

ux(r+1)s−uxrs2

+ uyr(s+1)−uyrs2 +K2

uxr(s+1)−uxrs2

+ uy(r+1)s−uyrs2 . For the case K2 =0.1K1:

a) Determine the general phonon dispersion relation ωs(*q) throughout the Bril- louin zone.

b) Sketch ωs(*q) as a function of *qfor

*q= ξ

0

, 06ξ6 π a.

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