Доктортехнических наук А. Шилейко.

НЕДЕЛИМОЕРАЗДЕЛИЛИ. ОТКРЫТИЕ И ЕГОПЕРСПЕКТИВЫ

В конце прошлого векаатом рассматривали как последнийнеделимый фрагмент вещества.Открытие электрона в 1897 годупоказало, что атом имеет сложноестроение. Его “составные части”назвали элементарными частицами.Вскоре выяснилось, что и они неэлементарны, а способны поопределенным законам распадаться.На пути изучения законов микромирародилась квантовая механика.

Сотрудник знаменитыхБелловских лабораторий Хорст Л.Штормер и профессор Принстонскогоуниверситета Дэниел С. Цуиэкспериментально обнаружилиэффект, который сегодня можнообъяснить лишь наличием объектов,несущих электрический заряд,равный 1/3 e (е — зарядэлектрона). Оба исследователя ипрофессор Стэнфордскогоуниверситета Роберт Б. Лохлин,который смог объяснить результатыих экспериментов, были удостоеныНобелевской премии по физике 1998года. Похоже, что фундаментальностьодного из краеугольных камнейсовременной физики — величинунаименьшего возможногоэлектрического заряда —приходится подвергать сомнению.Однако пока трек частицы с дробнымзарядом не будет обнаружен впузырьковой камере или нафотоэмульсии, есть время продуматьи осознать событие, которое так илииначе имеет огромное научное ипрактическое значение. Но в чем жесостоит это событие?

В 1879 году Эдвин ГебертХолл, будучи молодым студентом,открыл неожиданный эффект. Онобнаружил, что если поместитьтонкую золотую пластинку вмагнитное поле, направленноеперпендикулярно плоскости этойпластинки, и пропустить через нееэлектрический ток, то внаправлении, перпендикулярномнаправлению и магнитного поля, итока, возникает разностьпотенциалов. Это явление получилоназвание эффекта Холла. Кроме того,оказалось, что электрическоесопротивление пластинки в полезависит от величины поля.

В 1911 году РобертМилликен измерил заряд электрона иустановил, что он элементарен —имеет минимально возможнуювеличину. Заряд электрона сталфундаментальной константой. Однаков 1964 году М. Гелл-Манн и Г. Цвейгразработали теорию, согласнокоторой адроны, к которымотносятся, например, протон,нейтрон, p-мезон, состоят из кварков,которые должны нести дробныеэлектрические заряды в 1/3е и 2/3е.Гипотеза о кварках очень заманчива,поскольку в нее укладываетсябольшинство наблюдаемых явлений.Но до последнего времени вэксперименте не удавалосьнаблюдать не только самих кварков,но и дробных электрических зарядоввообще.

В 1980 году немецкийфизик Клаус фон Клитцинг обнаружилв аналогичном эксперименте, чтосопротивление Холла с усилениеммагнитного поля индукции меняетсяскачками. При этом величинасопротивления каждый раз быларавна некоторой постоянной,поделенной на целое число. Можносказать, что сопротивлениеподвергалось квантованию. Дляквантованных значенийсопротивления Холла нормальноеомическое сопротивление исчезало иматериал становилсясверхпроводящим. Экспериментпослужил поводом для введенияновой международной единицысопротивления, названной клитцинги равной h/4e2, где h— постоянная Планка.

Холл выполнял своиэксперименты при комнатнойтемпературе и при среднихзначениях магнитной индукции. Вконце 1970 года ряд исследователейповторили эксперимент Холла причрезвычайно низких температурах(около -272оС) и в гораздо болеесильных полях. В качестве материалаони брали пленки из исключительночистых полупроводников, содержащиеэлектроны, которые обладали оченьвысокой подвижностью вдольповерхности. В таких условияхэлектроны движутся практически вдвумерном пространстве. Это ипослужило причиной возникновениямногих неожиданных эффектов. Одиниз них состоял в том, чтосущественно изменился характерэффекта Холла.

Хорст Штормер, ДэниелЦуи и их сотрудники повторилиисследования квантового эффектаХолла, используя пленку из арсенидагаллия, нанесенную на подложкураспылением в вакууме. Такудавалось получать сверхчистоевещество, а чем чище кристалл, темсвободнее в нем движутся электроны.Кроме того, они использовали ещеболее низкие, чем Клитцинг,температуры и гораздо болеесильные магнитные поля. К великомуудивлению, они обнаружили новыескачки величины сопротивленияХолла, в три раза большие, чем вэкспериментах Клитцинга. По ходуэкспериментов их наблюдалось всебольше. Величины всех новых скачковснова оказалось возможным выражатьчерез ту же постоянную, однакотеперь ее приходилось делить надробные числа. По этой причиненовое открытие назвали дробнымквантовым эффектом Холла. Причинуего исследователи объяснить несмогли.

За результаты этогоисследования, названныецелочисленным квантовым эффектомХолла, фон Клитцинг был удостоенНобелевской премии 1995 года. Эффектможно объяснить с позиций законовквантовой физики. Упрощеннорассуждая, электроны в сильноммагнитном поле начинают двигатьсяпо круговым траекториям, размерыкоторых определяются магнитнымполем. Скачки указывают на числотраекторий, целиком заполненныхэлектронами.

Согласно одному иззаконов квантовой механики —принципу Паули — частицы,относящиеся к фермионам, то естьобладающие полуцелым спином (1/2, 3/2 ит.д.), препятствуют любым попыткам кобъединению. Наоборот, частицы сцелым спином (бозоны) стремятся кобъединению и легко образуютсвоеобразную жидкость. Всоответствии с сильно упрощеннымпредставлением движущиесяэлектроны (имеющие спин 1/2) могутобъединяться в пары, образуябозоны, которые конденсируются вквантовую жидкость.

Через год послеоткрытия дробного квантовогоэффекта Холла Роберт Лохлинпредложил его теоретическоеобъяснение. В соответствии с еготеорией низкая температура исильное магнитное поле заставляютэлектронный газ конденсироваться вновый тип квантовой жидкости.

Кроме сверхтекучести,которая объясняет исчезновениеомического сопротивления прискачках сопротивления Холла, новаяквантовая жидкость имеет рядлюбопытных свойств. Наиболеепримечательным из них оказалось то,что попавший в нее электронвозбуждается, вызывая рождениенескольких квазичастиц с дробнымэлектрическим зарядом. Это нечастицы в общепринятом смыслеслова, а следствие группового“танца” электронов в квантовойжидкости. Роберт Лохлин впервыепоказал, что для объяснениярезультатов Штормера и Цуиквазичастицы должны иметь именнодробные электрические заряды.

Квантовые жидкостиимеют ряд общих свойств, напримерсверхтекучесть, но обладают исущественными различиями.Некоторые из них, подобные жидкостиЛохлина, состоят из отдельныхчастиц.

Для физиков —специалистов по так называемымсильным взаимодействиям —открытие и объяснение дробногоквантового эффекта Холла оченьважно. Это — косвеннаядемонстрация реальногосуществования квантовой жидкости иквазичастиц, несущих дробныйэлектрический заряд. В последнеевремя несколько исследовательскихгрупп наблюдали, например, оченьмалые изменения силы тока, которыеследует приписать квазичастицам,движущимся по проводнику. Подобныеэксперименты можно уподобитьзаписи шороха одной градины вовремя грозы, по которойустанавливают, что ее размерсоставляет дробную частьнормального. Их можнорассматривать как исчерпывающуюпроверку правильности полученныхрезультатов Штормера и Цуи.

Новая квантоваяжидкость практически несжимаема:на сжатие она отвечает рождениембольшего количества квазичастиц, ана это требуется дополнительнаяэнергия.

Чрезвычайно интереснаи сама сверхпроводящая исверхтекучая квантовая жидкостьЛохлина с точки зрения еевозможного техническогоиспользования. А то, что все эффектынаблюдались практически вдвумерном пространстве, наводит намысль, что мы стоим на пороге новыхдвумерных и одномерных технологий.Этому обстоятельству большоевнимание уделяют и сами лауреаты.

Какие же последствияимеет открытие Штормера, Цуи иЛохлина? Прежде всего, оно означает,что элементарный заряд электрона eоказался не элементарным. В связи сэтим возникает вопрос: сохранитсяли в физике будущего величина eв качестве фундаментальнойконстанты? Далее — открытие служитаргументом, причем решающим, впользу кварковой теории строенияадронов. А исследование материи насубэлементарном уровне можетпривести к ошеломляющимрезультатам. Энергиявзаимодействия кварков в адроне, погрубой оценке, настолько же большеэнергии взаимодействия нуклонов вядре (которая выделяется при взрывеводородной бомбы), насколько тапревышает энергию взаимодействияэлектронов с ядром,высвобождающуюся в химическихреакциях. Вполне можно представитьсебе реакцию синтеза адронов в“кварковом газе”, энергию которойпридется оценивать уже вмегатоннах “водородногоэквивалента”.

1937 год. ПрофессорКлинтон Девиссон экспериментальнодоказал волновую природуэлектронов и стал первымнобелевским лауреатом Белловскихлабораторий.

И в заключение —перечень сотрудников Белловскихлабораторий, удостоенных высокойнаграды, который очень хотелось быдовести до сведения руководителейнашего государства.

1964 год. Чарльз Таунс(совместно с российскими ученымиН.Г.Басовым и А.М.Прохоровым)удостоен Нобелевской премии заизобретение лазера.

1956 год. Джон Бардин,Уолтер Браттейн, Уильям Шоклиудостоены Нобелевской премии заизобретение транзистора.

1981 год. Артур Л. Шавловудостоен Нобелевской премии пофизике за работы в области лазернойспектроскопии.

1978 год. Арно Пензиасудостоен Нобелевской премии пофизике за открытие реликтовогоизлучения.

1997 год. Стивен Чуудостоен Нобелевской премии пофизике за работы в областиохлаждения атомов до предельнонизких температур.

1996 год. Дуг Ошеровудостоен Нобелевской премии пофизике за работы в областисверхпроводимости, Гарольд Крото —Нобелевской премии по химии заоткрытие новой формы молекулуглерода, фуллерена C-6

Итого одиннадцатьнобелевских лауреатов в однойорганизации — число, значительнопревышающее средний уровень дажедля развитых стран, не говоря уже оборганизациях. Причина этогопредельно проста. Компания LucentTechnologies, в состав которой входятБелловские лаборатории, считаетнеобходимым выделять 11% оборота,составившего в 1998 финансовом году 26миллиардов долларов, на научныеисследования, в том числе 1% — наисследования фундаментальные...

1998 год. Хорст Штормерудостоен Нобелевской премии заоткрытие дробного квантовогоэффекта Холла.

 

При написании даннойзаметки были использованыматериалы, опубликованные навеб-сайте http://www.bell-labs.com.

Тонкая золотаяпластинка помещена в магнитноеполе H. Вдоль пластинки проходитэлектрический ток I, величинакоторого определяется приложеннымнапряжением V и омическимсопротивлением R_oпластинки. Эффект Холлазаключается в появлении разностипотенциалов V_н внаправлении, перпендикулярном итоку, и магнитному полю. Холловскоесопротивление в этом направлении R_н= V_н/I.

 

Изменениехолловского сопротивления в разныхэкспериментах. Диагональная линиясверху — измерения Эдвина Холла 1879года. Левая часть нижней кривой —результаты Клауса фон Клитцинга 1980года — сопротивление меняетсяскачками в целое число раз. Праваячасть: в области сильных магнитныхполей сопротивление, аследовательно, и зарядпропорциональны дробной величинезаряда электрона.

  ЛауреатыНобелевской премии по физике 1998года: Дэниел Цуи, Роберт Лохлин,Хорст Штормер.