Âûáèðàé : Ïîêóïàé : Èñïîëüçóé
â ôîêóñå
0

Ïðîðûâ â ôèçèêå: ñîçäàíà òâåðäàÿ êðèñòàëëè÷åñêàÿ ôîðìà ýëåêòðîíîâ

Ó÷åíûå ñìîãëè ñîçäàòü â ëàáîðàòîðíûõ óñëîâèÿõ êðèñòàëë, êîòîðûé ïîëíîñòüþ ñîñòîèò èç ýëåêòðîíîâ. Áëàãîäàðÿ ýòîìó ïîëó÷èëà ïîäòâåðæäåíèå äàâíî îáñóæäàåìàÿ òåîðèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ êðèñòàëëè÷åñêîé ôîðìû ýëåêòðîíîâ — ýòî îçíà÷àåò íàñòóïëåíèå íîâîãî ýòàïà â ðàçâèòèè íàóêè.

Ïðè îáû÷íûõ óñëîâèÿõ ïîâåäåíèå ýëåêòðîíîâ íàïîìèíàåò ïîâåäåíèå æèäêîñòè: îíè êàê áû ïåðåòåêàþò âíóòðè âåùåñòâà. Îäíàêî ôèçèê-òåîðåòèê Þäæèí Âèãíåð åùå â 1934 ãîäó ïðåäïîëîæèë, ÷òî ïðè ñîáëþäåíèè íåîáõîäèìûõ ïàðàìåòðîâ íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ ñïîñîáíî ïðèíèìàòü êðèñòàëëè÷åñêóþ ôîðìó — òàê íàçûâàåìûé êðèñòàëë Âèãíåðà.

Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ýòîé ôîðìû íóæíî äîáèòüñÿ áàëàíñà ìåæäó ñîáñòâåííîé ýíåðãèåé äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ è ýëåêòðîñòàòè÷åñêèì îòòàëêèâàíèåì – ýòî äâå îñíîâíûå ñèëû, âîçäåéñòâóþùèå íà ýëåêòðîíû è îïðåäåëÿþùèå èõ íåïðåðûâíîå äâèæåíèå âíóòðè âåùåñòâà.

Ïðèâû÷íàÿ êðèñòàëëè÷åñêàÿ ðåøåòêà îáðàçîâàíà èç àòîìîâ, êîòîðûå íå ñòîëü ïîäâèæíû, êàê ýëåêòðîíû è ñïîñîáíû ñîçäàâàòü óñòîé÷èâûå ñòðóêòóðû. Îäíàêî ó÷åíûå äîêàçàëè ñóùåñòâîâàíèå è êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè èç ýëåêòðîíîâ. Èçîáðàæåíèå: CHUTTERSNAP/Unsplash

Ýíåðãèÿ äâèæåíèÿ âîçäåéñòâóåò íà ýëåêòðîíû ñèëüíåå, ÷åì îòòàëêèâàíèå, èìåííî îíà çàñòàâëÿåò èõ ñëó÷àéíûì îáðàçîì îòñêàêèâàòü è õàîòè÷íî äâèãàòüñÿ âíóòðè ìàòåðèàëà. Ïî ìíåíèþ Âèãíåðà, ïðè óìåíüøåíèè ýíåðãèè äâèæåíèÿ ïðåêðàòèëîñü áû äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ, à ýëåêòðîñòàòè÷åñêîå îòòàëêèâàíèå «çàïåðëî» áû èõ â êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó.

Ïðàêòè÷åñêàÿ ðåàëèçàöèÿ ýòîé ìîäåëè äîñòàòî÷íî ñëîæíà: äëÿ óìåíüøåíèÿ âíåøíåãî âëèÿíèÿ íà ýëåêòðîíû è óäåðæàíèÿ èõ â «ëîâóøêå» êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè íóæíî ñíèçèòü êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ äî ñòðîãî îïðåäåëåííîãî ïðåäåëà, à òàêæå îõëàäèòü èõ ïðàêòè÷åñêè äî àáñîëþòíîãî íóëÿ.

Îáû÷íî ýëåêòðîíû âåäóò ñåáÿ êàê æèäêîñòü è õàîòè÷åñêè ïåðåìåùàþòñÿ âíóòðè âåùåñòâà (ðèñóíîê ñëåâà), íî ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ ìîãóò ñôîðìèðîâàòü êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó – êðèñòàëëû Âèãíåðà (ðèñóíîê ñïðàâà). Èçîáðàæåíèå: ETH Zurich

Âïåðâûå êðèñòàëëû Âèãíåðà áûëè ïîëó÷åíû åùå â 1979 ãîäó — òîãäà ýëåêòðîíû ðàñïîëàãàëèñü íàä æèäêèì ãåëèåì.  íîâîì ýêñïåðèìåíòå ó÷åíûõ èç Øâåéöàðñêîé âûñøåé òåõíè÷åñêîé øêîëû (Öþðèõ) èñïîëüçîâàëàñü òîíêàÿ ïëàñòèíà ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìàòåðèàëà ñåëåíèñòîãî ìîëèáäåíà òîëùèíîé â îäèí àòîì, ÷òî ïîçâîëèëî îãðàíè÷èòü äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ äâóìÿ ïëîñêîñòÿìè. Äëÿ óìåíüøåíèÿ êîëè÷åñòâà ýëåêòðîíîâ ïëàñòèíó çàæàëè ìåæäó ãðàôåíîâûìè ýëåêòðîäàìè è ïîäàëè òîê íåâûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ. Çàòåì ïîíèçèëè òåìïåðàòóðó âñåé êîíñòðóêöèè òàê, ÷òîáû îíà áûëà âñåãî íà íåñêîëüêî ãðàäóñîâ âûøå àáñîëþòíîãî íóëÿ (–273,15 ⁰Ñ).  ðåçóëüòàòå ôèçèêàì óäàëîñü ïîëó÷èòü êðèñòàëë Âèãíåðà.

Íà ãðàôè÷åñêîì èçîáðàæåíèè êðèñòàëëà Âèãíåðà ïîêàçàíà êðèñòàëëè÷åñêàÿ ðåøåòêà èç ýëåêòðîíîâ (êðàñíîãî öâåòà) â ïîëóïðîïðîâîäíèêîâîì ìàòåðèàëå (ãîëóáîãî è ñåðîãî öâåòà). Èçîáðàæåíèå: ETH Zurich

Îäíàêî ãëàâíàÿ ïðîáëåìà çàêëþ÷àëàñü íå â ñîçäàíèè íîâîé ñòðóêòóðû, à â íàáëþäåíèè çà íåé. Ðàññòîÿíèå ìåæäó ýëåêòðîíàìè ñîñòàâëÿåò îêîëî 20 íàíîìåòðîâ è åãî íåâîçìîæíî óâèäåòü â ìèêðîñêîï. Ïîòîìó âî âñåõ ïðåäûäóùèõ ýêñïåðèìåíòàõ äîêàçàòåëüñòâàìè ôîðìèðîâàíèÿ ðåøåòêè ñëóæèëè êîñâåííûå ïðèçíàêè, íàïðèìåð, èçìåíåíèå ñèëû òîêà.

 íîâîì èññëåäîâàíèè áûë ïðèìåíåí èíîé ìåòîä: íà ïëàñòèíó ñåëåíèñòîãî ìîëèáäåíà íàïðàâèëè ñâåò îïðåäåëåííîé ÷àñòîòû, êîòîðûé âîçäåéñòâîâàë íà ýêñèòîíû – ýëåìåíòàðíûå êâàçè÷àñòèöû, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé ýëåêòðîííîå âîçáóæäåíèå â ïîëóïðîâîäíèêå. Ïî ñóòè ýêñèòîí – ýòî ñâÿçàííîå ñîñòîÿíèå ýëåêòðîíà è äûðêè (ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîé êâàçè÷àñòèöû). Ïðè âîçäåéñòâèè ñâåòà ýêñèòîíû èçëó÷àþò åãî îáðàòíî, ÷òî ïîçâîëÿåò íàáëþäàòü èõ íàïðÿìóþ.

 ñâî¸ì îáû÷íîì ñîñòîÿíèè ýêñèòîíû ìèãðèðóþò ïî âåùåñòâó, êàê è ýëåêòðîí, õîòÿ â îòëè÷èå îò íåãî, íå ïåðåíîñÿò çàðÿä èëè ìàññó. Íî ïðè ôîðìèðîâàíèè êðèñòàëëîâ Âèãíåðà, ýêñèòîíû âûãëÿäÿò íà ñâåòó íåïîäâèæíûìè. Òåîðåòè÷åñêóþ âîçìîæíîñòü òàêîãî ýôôåêòà âîçáóæäåíèÿ ýêñèòîíîâ ðàíåå îïèñàëè èññëåäîâàòåëè èç Ãàðâàðäñêîãî óíèâåðñèòåòà. Èìåííî ýòî ñìîãëè íàáëþäàòü èññëåäîâàòåëè èç Öþðèõà, è ýòî ñëóæèò ïðÿìûì äîêàçàòåëüñòâîì ñóùåñòâîâàíèÿ êðèñòàëëè÷åñêîé ôîðìû ýëåêòðîíîâ.

Ïðîõëàäà áåç ìîíòàæà: 7 ìîáèëüíûõ êîíäèöèîíåðîâ ñ Wi-Fi

Êîììåíòàðèè
Ñòàòüè ïî òåìå