Квантовий світ дуже далекий від вітчизняного, тому його закони досить часто здаються нам незвичайними і контрінтуітівное. Але серйозні новини з квантової фізики приходять практично щодня, так що мати про них вірне уявлення на даний момент потрібно - в іншому випадку робота фізиків у вітчизняних очах перетворюється з науки в чарівництво і обростає міфами. Ми вже говорили про квантових комп'ютерах, нелокальності, когерентності та квантової телепортації.
Зараз звернення відправиться про ще один незвичайний об'єкт - квазічастинки.
Квазічастинок, насправді, досить багато. Виходячи з цього для першого знайомства ми вирішили так: щоб простіше було розібратися в темі, ми попросили доктора наук Саутгемптонського керівника і університету наукової групи «Квантова полярітоніка» Російського квантового центру Олексія Кавокіна коротко розповісти про семи найбільш цікавих, на його точці зору, квазічастинки. Розповідь Олексій супроводжував вкрай корисними і інформативними ілюстраціями, головні сміливці яких, коти.
Чим квазічастинки відрізняються від частинок? Тим, що вони сидять в клітці і не зможуть вийти. Квазічастинки придумав Лев Ландау, щоб спростити опис багаточастинкових фізичних процесів, що відбуваються в кристалах.
Замість того, щоб вирішувати мільярди рівнянь, що описують переміщення електронів і атомів в кристалічній решітці, з'ясувалося достатнім записати всього пара рівнянь для придуманих частинок - квазічастинок - хоча ці рухаються по кристалу, як по безлюдному простору, які не помічаючи окремих атомів або іонів. Володіючи повною свободою в кристала, квазічастинки не зможуть вийти назовні. Ті з них, якісь зважаться виглянути за межі кристалічної решітки, повинні будуть швидко поміняти власні властивості і перетворитися в прості частинки - електрони, іони, фотони.
Чим відрізняється електрон-квазічастинка від електрона-елементарної частинки? Відмінність в масі. Поширюючись в кристалічній решітці, електрон робиться легше. Говорячи більш строго: електрон-квазічастинка описується дієвої масою, яка залежить від параметрів кристалічної решітки.
У деяких напівпровідникових кристалах дієва маса електрона не рідкість в 10 і крім того 20 разів менше маси вільного електрона. Більш того, в графені - двовимірному кристалі, який складається з атомів вуглецю, збудованих у формі бджолиних сот - деякі з електронів-квазічастинок за великим рахунком не має маси. Всі такі електрони літають з одноманітною за величиною швидкістю.
Дірки схожі на бульбашки повітря у воді. Замість води в кристалі електрони. Безлюдні місця, де немає електронів - це дірки.
Так само, як бульбашки газу, вони спливають наверх, на поверхню електронного моря, яка в кристалі іменується поверхнею Фермі. Маса дірки негативна - як раз виходячи з цього вона спливає, а не тоне. Дірка має заряд, рівний заряду електрона, але має протилежний знак. Ви запитаєте: як же безлюдне місце може мати заряд?
Уявіть, що весь обсяг заповнене негативно зарядженою водою. Що потрібно зробити, щоб в дрібному виділеному кількості заряд став нульовим? Відповідь: потрібно додати в даний кількість стільки хороших зарядів, скільки в ньому було негативних.
Хороший заряд дірки компенсує негативний заряд електронної рідини.
Ексітон схожий на атом водню. В атомі водню негативно заряджений електрон (елементарна частинка) крутиться близько позитивно зарядженого протона. У екситонами негативно заряджений електрон (квазічастинки) крутиться близько позитивно зарядженої дірки. Концепцію екситона розвинув в 1920-ті роки комуністичний вчений Яків Френкель.
Експериментально знайшов екситон другий вітчизняний вчений, Євген Гросс, в 1952 році. У зв'язку з тим, що дірка і електрон в кристалі значно легше протона і електрона в атомі водню, а співпраця між квазічастинками ослаблене в кристалічній середовищі, екситон виходять великими: характерний розмір екситона може в багато разів перевищувати розмір атома. Крім цього, на відміну від атома водню, екситон не вічний.
Його час долі в більшості випадків не перевищує однієї мільярдної частки секунди. Після закінчення цього часу бульбашка повітря заповнюється водою: дірка і електрон рекомбинируют. Зникаючи, екситон передає власну енергію кристалічній решітці або випромінює квант світла - фотон.
Детектуючи світло, випромінювань екситонами, ми набуваємо дані про їх властивості і будову.
Фотон - це квант світла. Проходячи через кристалічну решітку, фотони змінюють власні властивості. У разі якщо в порожнечі все фотони летять з одноманітною швидкістю - швидкістю світла - то в кристалі багато з них сповільнюються і крім того зупиняються. Це явище називається «повільний світло». Взаємодіючи з екситонами, світло починає вести себе як рідина: він формує краплі, вири, стоячі хвилі, водоспади. Світло можливо направляти через канали, поміняти його траєкторію, швидкість, поляризацію.
Деякі теоретики крім того впевнені в тому, що світло можливо заморозити. Фотони, що поширюються в кристалі, - це квазічастинки. Їх особливості відрізняються від особливостей їх побратимів, що летять в порожнечі.
Наприклад, в порожнечі фотон не має маси, а в кристалі у нього з'являється маса.
Фонони - це кванти коливань кристалічної решітки. Концепція фонона була створена радянським фізиком Ігорем Таммом. Фонони з'являються через те, що іони, що становлять грати кристала, не стоять на місці, а коливаються поблизу власних рівноважних положень. Такі коливання складаються в хвилі. Мовою квазичастиц, поширення коливань решітки еквівалентно потоку фононів.
Фонони переносять звук, вносять великий внесок в теплопровідність, несуть відповідальність за освіту друге квазичастиц - куперовских пар.
При низьких температурах в деяких металах відзначається надпровідність - поширення електричного струму без опору. Усвідомити, як з'являється це цікаве явище, можливо на прикладі двох літаків, що літають приятель за другому по колу. Літаки - електрони. У металі, в більшості випадків, вони носяться з величезними швидкостями (швидкість Фермі).
Пролітаючи через кристалічну решітку, електрон випромінює фонон - повільну квазічастинку, парашутиста. Через деякий час другий літак підбирає парашутиста і викидає його знову. Два електрона обмінюються фононами, перебуває на великій відстані один від одного.
Фононний механізм тяжіння з'ясовується більш дієвим, ніж відштовхування квазичастиц, що мають однаковий заряд. Організовані так пари електронів - куперовские пари - володіють незвичайним властивістю: вони обожнюють рухатися з одноманітною швидкістю. Це і веде до надпровідності.
Уявіть собі безліч машин на шосе. У випадку, якби всі вони рухалися з одноманітною швидкістю, пробок б не було. Так і потік куперовских пар поширюється без опору.
Електрони в кристалі поводяться приблизно так само, як вода в озері. Під дією вітру на поверхні озера утворюються хвилі, якісь накочуються то на один берег озера, то на другий. Вітер - світло. Хвилі на поверхні електронної рідини - плазмони. Кристал, як ціле, електрично нейтральний. Зсув негативно зарядженої електронної рідини (плазми) досить позитивно зарядженої кристалічної решітки призводить до коливань електричної поляризації.
Ці коливання зможуть індукувати світлом відповідної частоти. Співпраця світла з електронної плазмою дозволяє передавати дані. Ця співпраця вживається в надточних мікроскопах.
Крім цього, завдяки плазмонів можливо поміняти колір предметів. Кольорові скла в середньовічних вітражах - тому приклад.
# 81 | Азбука | алфавіт | тварини | пластилін | Пінг і Кроки
цікаві записи
Популярні статті на сайті:
Створення нових матеріалів з особливими особливостями є вкрай важливою, але дуже непростим завданням хімії та фізики. Ще в 1982 році Лауреат Нобелівської ...
Фізики з Технологій та Національного Інституту Стандартів змогли змусити тисячі атомів, утримуваних в лазерному промені, в один момент обмінюватися ...
Співробітники University of Bristol (Англія) заявили про те, що вони відкрили нову сторінку в історії оптичних квантових комп'ютерів [1]. Ними в перший раз ...
Дослідниками з Університету Іллінойсу (University of Illinois) запропонована концепція так званих цифрових квантових батарей, якісь повинні володіти ...
Фізики з Університету Рочестера, технологій і Національного інституту стандартів і Массачусетського технологічного університету в перший раз ...