Знание – сила, 2001 №8 (890)

К концу прошлого века квантовая механика позволила разработать устройства, манипулирующие объектами в миллиардную долю метра

Еще лет пятнадцать назад американский физик Роберт Логлин предсказывал один любопытный эффект. По его предположению, электроны, запертые в тонком слое полупроводника, оказавшись внутри сильного магнитного поля, должны вести себя так, словно их заряд меньше элементарного заряда электрона. Его догадка подтвердилась лишь недавно – в эксперименте, проведенном физиками из Института Вейцмана (Реховот, Израиль).

Объектом их наблюдения был «двухмерный электронный газ» – тончайшая прослойка, разделявшая два различных полупроводниковых материала. Они поместили эту конструкцию в магнитное поле и охладили всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля, дабы температура никак не влияла на результаты эксперимента. После этого с помощью очень чувствительной аппаратуры они принялись изучать так называемый дробовой шум, что возникает из-за случайных изменений количества электронов и характера их движения.

Проанализировав величину электрического тока, ученые пришли к выводу, что в данном случае заряд частиц равен… всего одной трети элементарного заряда электрона.

Еще одно достижение квинтовой механики – сканирующий туннельный микроскоп, с помощью которого можно наблюдать перемещение молекул на поверхности металла, иначе говоря, работать с «атомными счетами»

Механика

Материальная точка

Траектория

Скорость (V)

Простой аналогии нет

Потенциальная энергия – функция координат: U=U(x)

Энергия Е

Оптика

Волновой пакет

Луч

Групповая скорость (V)

Фазовая скорость (u)

Показатель преломления (или фазовая скорость u) как функция координат

Частота v [В диспергирующей среде u = u (v, x)]

В оптике

E=E(v).

Разберем прежде всего следующее сопоставление:

Рафаил Нудельман

На состоявшейся недавно в американском городе Миннеаполисе конференции по квантовым жидкостям и твердым телам произошла небольшая сенсация. Сообщение молодого британского физика Хэмфри Мариса настолько заинтересовало участников и вызвано такую бурную дискуссию, что организаторы посвятили его обсуждению дополнительную сессию, в которой приняли участие свыше ста человек. В течение двух часов они пытались найти ошибку в рассуждениях Мариса и, не найдя ее, разошлись в твердом убеждении, что она непременно должна где-то таиться, ибо безумная идея докладчика никак не может быть верна. «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда», – как говаривали в старину. «Этим» было высказанное Марисом утверждение о возможности расщепления электрона.

Неделимость электрона – одна из основ современной квантовой теории. «Мысль о возможности расщепления электрона на более мелкие заряженные частицы, – говорят теоретики, – абсолютно несовместима с квантовой теорией вообще и квантовой электродинамикой, в частности». Добавим: а также с физикой высоких энергий. Все эксперименты по столкновению частиц в ускорителях неизменно подтверждают центральное представление физики о том, что электрон – точечная частица, не имеющая внутренней структуры. Этот факт остается незыблемым вплоть до самых высоких достигнутых сегодня в эксперименте энергий. Тем не менее теперь налицо и другой факт: Марис не только утверждает, что электрон можно разделить на половинки и четвертушки, он заявляет, что это уже было сделано в тридцатилетней давности эксперименте, авторы которого сами не поняли, что они сделали (а потому не смогли тогда объяснить свои результаты).

И, как уже сказано выше, коллеги Мариса не смогли (и до сих пор не могут) найти изъян в его рассуждениях. Рассуждения эти таковы. В жидком гелии, то есть в гелии, охлажденном до сверхнизких температур (эго именно та область физики, которой Марис занимается как экспериментатор), электроны могут существовать автономно и независимо от атомов. Если впрыснуть в жидкий гелий электроны снаружи, они постепенно замедляются там в результате столкновений и в конце концов практически останавливаются. Они, однако, не присоединяются затем к атомам гелия, потому что у каждого такого атома уже есть два своих электрона, а квантовые законы запрещают ситуации, когда в одном состоянии находится более двух электронов. Поэтому добавочным электронам приходится размещаться между атомами. Для этого они должны расчистить себе некоторое пространство, образовать некий «пузырек» – так называемый электронный пузырек. Чтобы расчистить этот участок пространства для себя, они должны немного раздвинуть окружающие атомы. Это не всегда возможно: если атомы связаны друг с другом сильными межатомными связями («ван-дерваальсовыми»), энергии электрона на это не хватит. В гелии при сверхнизких температурах ее хватает, и экспериментаторы вкупе с теоретиками давно уже установили, что впрыснутые электроны образуют в нем «электронные пузырьки» диаметром примерно 38 ангстремов, для чего смешают из нормальных положений около 700 атомов гелия. Каждый такой «пузырек» занят одним электроном, который по законам все той же квантовой механики может находиться там в «квантованных» (дискретных) энергетических состояниях.

Состояние электронов описывается в квантовой теории так называемой волновой функцией, что отражает присущие этим частицам волновые свойства. Уже на заре квантовой теории утвердилось представление, что эта функция указывает вероятность нахождения электрона в том или ином месте. Волновая функция, описывающая самое низкоэнергетическое состояние электрона в его «пузырьке», имеет, согласно теории, шарообразный вид; волновая функция следующего по энергии состояния – вид гантели, причем основная часть энергии электрона сосредоточена в шарах такой «гантели», оставляя «перемычку» между ними почти «пустой», то есть не способной противостоять наружному давлению. Дойдя до этого места в своих рассуждениях, Марис делает вполне, казалось бы, логичный следующий шаг: «Если давление гелия снаружи на «электронный пузырек» будет достаточно большим, то может возникнуть возможность разрыва «перемычки», то есть разделения «пузырька» на две половинки».