Американским физикам удалось решить проблему тяжелых электронов

Тяжелые электроны раскрыли свои карты

Американским физикам, похоже, удалось решить проблему так называемых тяжелых электронов, возникающих в некоторых соединениях металлов. По их мнению, они представляют собой составные объекты из двух форм электрона, пребывающих в состоянии квантовой запутанности. Это открытие поможет людям наконец-то создать высокотемпературные сверхпроводники.

Фото:

Следует заметить, что так называемые тяжелые электроны были открыты учеными еще в 70-х годах прошлого века. Для того чтобы понять, что это за электроны такие, нужно вспомнить о том, какое строение имеют металлы на атомарном уровне. Они состоят из кристаллической решетки, в узлах которой располагаются ионы, а между ними находятся так называемые свободные электроны. Именно последние и определяют многие физические свойства металлов (например, их способность проводить электрический ток или намагничиваться).

Так вот, логично предположить, что, взаимодействуя друг с другом и с ионами кристаллической решетки, свободные электроны меняют свойства металла в целом. И для того чтобы учитывать это взаимодействие, физики ввели некую количественную характеристику — эффективную массу. Все это было бы ничего, однако, когда стали рассчитывать эту самую эффективную массу, то выяснилось, что в некоторых металлических соединениях она может в 1000 раз превышать массу свободного электрона (которая, как мы помним, равняется 9,1·10-3 кг).

Именно так и родилось понятие "тяжелые электроны". Интересно, что за все то время, что прошло с момента их открытия, этот эффект никто из ученых не смог объяснить. Правда, выяснилось, что эти электроны образуются на f-орбиталях, то есть могут возникать только в соединениях тяжелых металлов.

Более того, физики выяснили, что у ряда веществ, где наблюдались тяжелые электроны, удельная теплоемкость и магнитная восприимчивость (то есть способность вещества намагничиваться в магнитном поле) оказались в несколько сот раз больше, чем у обычных металлов. А другие подобные соединения при низких температурах перешли в сверхпроводящее состояние.

Итак, наличие этих самых тяжелых электронов явно изменяет свойство вещества, и причем достаточно радикально. Но почему это происходит? Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять одну важную вещь: а, собственно говоря, что представляет из себя этот тяжелый электрон? Каковы его особенности и фундаментальные свойства? Долгое время ученые не могли получить ответов на эти вопросы. Однако недавно в этой области физики обозначился явный прогресс.

В начале этого месяца группа американских исследователей из университета Макмастера, Корнельского университета, Брукэйвенского отделения США по энергетике и Лос-Аламосской национальной лаборатории сделали попытку сфотографировать эти электроны. Ученые работали с соединением урана, рутения и кремния — Uru2Si2, имеющим весьма удобную для изучения кристаллическую решетку. Исследуемый образец охлаждался сначала до 55 Кельвинов (то есть до -218 градусов Цельсия), а затем и до температуры фазового перехода — 17,5 К. В работе применялся специально разработанный для данного исследования метод получения спектроскопических изображений сканирующей туннельноймикроскопией (SI-STM).

В итоге исследователям удалось "разглядеть", как образуются тяжелые электроны. По словам руководителя исследования, профессора Симуса Дэвиса из Корнельского университета и Брукхэйвенской лаборатории, это выглядит так: "Представьте себе, что вы летите над водоемом, где есть стоячие волны, которые распространяются вверх и вниз, но не распространяются на берег. Вы можете прикоснуться к воде только в самой верхней точке, а к более нижним — не cможете". То есть тяжелые электроны в металле чем-то напоминают колеблющиеся стоячие волны.

Физики же из Принстонского университета (США), проанализировав достижения своих коллег, предложили свою версию, объясняющую, что такое тяжелые электроны. На представленных фотографиях они не только "увидели", как при понижении температуры возрастает масса этих частиц, но и выяснили, что эти тяжелые электроны на самом деле являются не частицами в прямом смысле данного слова, а составными объектами. Эти "сверхчастицы" на самом деле состоят из двух форм электрона, пребывающих в состоянии квантовой запутанности.

Напомню, что квантовой запутанностью в физике называется такое состояние, когда свойства двух или более частиц оказываются взаимозависимыми. Причем эта зависимость сохраняется и в том случае, если объекты находятся далеко друг от друга (подробнее об этом читайте в статье "Квантовая телепортация увеличивает дистанцию"). Так вот, благодаря данному свойству, в соответствии с законами квантовой механики, электроны могут одновременно обладать диаметрально противоположными свойствами, в том числе быть и "легкими", и "тяжелыми".

Итак, сравнив экспериментальные данные с теоретическими расчетами, ученые пришли к выводу, что тяжелые электроны представляют собой квантовые запутанности двух противоположных по свойствам электронов, которые находятся вокруг отдельных атомов в кристалле. Более того, по их мнению, именно степень такой запутанности является ключом к пониманию явления сверхпроводимости. Физики выяснили, что когда электроны становятся слишком тяжелыми, то они как бы "замерзают" в намагниченном состоянии и "застревают" в атомах, лишая материал способности проводить ток. Однако создание запутанности определенной степени позволяет электронам "прыгать" с атома на атом, в результате чего материал превращается в сверхпроводник.

До сих пор была известна только одна методика, используя которую, можно добиться этой самой "сверхпроводящей" степени запутанности — сильное понижение температуры. Однако не исключено, что есть и другие способы — например, создание определенных сплавов. Или же этот эффект можно вызвать, воздействуя на металл при помощи какого-нибудь электромагнитного излучения.

Сейчас физики из Принстона собираются опробовать самые разные методы, при помощи которых теоретически можно вызвать появление тяжелых электронов. И если их усилия увенчаются успехом, то тогда разработка и внедрение высокотемпературных сверхпроводников будет уже делом весьма недалекого будущего…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"