Процессы квантового мира можно воссоздать руками на лабораторном столе

Авторы большинства учебников и задачников по квантовой механике и не представляли, что когда-нибудь процессы квантового мира можно будет воссоздать своими руками на лабораторном столе

Так, как делают это академик РАН профессор Роберт Сурис из Физико-технического института им. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и его коллеги.

С появлением зонной теории твердых тел возникла и возможность описания поведения в них отдельных электронов. Эта теория по своему хороша, но вот объяснить, почему кристалл держится в виде кристалла - ее модели не в состоянии. Дело в том, что зонная теория кристаллов использует модели, согласно которым атом и электрон, находящиеся в периодическом потенциале кристалла, живут независимой от «собратьев» жизнью. Каждый из них держится в решетке кристалла сам по себе. Но в дополнение к ней существует теория адгезии или теория связи в твердых телах. Согласно этой теории, рассматривать электроны и ионы отдельно нельзя. Все они взаимодействуют друг с другом, и именно это взаимодействие приводит к тому, что возникает кристалл.

Возможность проверить, как потенциалы разного типа воздействуют на электроны и дырки, появилась с возникновением полупроводниковых гетероструктур, которые используют гетеропереходы, или, иными словами, контакт между полупроводниками разного химического состава, но с одинаковыми кристаллическими решетками. При этом можно создавать потенциалы (квантовые точки, квантовые ямы, квантовые проволоки и пр.) с характерными размерами в несколько нанометров, то есть в несколько десятков или сотен ангстрем, на которых рассеянием электрона можно пренебречь, так как длина его свободного пробега оказывается больше размера объекта.

С помощью таких структур сейчас исследователи во всем мире и, в частности, академик Роберт Сурис и его коллеги из Физико-технического института им. Иоффе и моделируют задачки из курса квантовой механики.

«Еще недавно рабочим инструментом инженера был такой предмет, как «противление материалов» сопромат. Это был период индустриализации, конструирования машин и механизмов. Теперь на смену сопромату приходит квантовая механика. Конструирование разного рода квантовых электронных устройств, в том числе и кремневой электроники, без квантовой механики невозможно. Например, для того чтобы сконструировать лазер, нужно просчитать уровни энергии в квантовой яме. Для того чтобы вычислить длину волны излучения, нужно посчитать и понять, какова масса электронов и дырок при движении вдоль ямы. Все это очень нетривиальные вещи», - рассказал Роберт Сурис во время своего визита в ФИАН.

Одна из смоделированных задач - задачка о движении электрона в периодическом поле под действием постоянного электрического поля. В этом случае оказывается, что электрон не ускоряется, а осциллирует.

«Это очень хороший эффект, - объясняет Роберт Арнольдович, - на который обратил внимание еще в конце 20-х годов Блох, а потом подхватил Ванье. Эту задачу можно реализовать, если сделать периодическую структуру квантовых ям. Тогда, прикладывая различное электрическое поле, можно видеть, как меняется частота колебаний электрона, вплоть до терагерцовых частот, о которых сейчас многие говорят. И эксперименты на таких структурах, называемых сверхрешетками, это подтвердили».

Схематичное изображение искусственных периодических структур и их потенциал. Экспериментальные зависимости взяты из статьи C.Waschke, H.G.Roskos, K Leo, H. Kurz, K.Köhler Semicond. Sci.Technol, 9, (1994) 416. Фото с сайта fian-inform.ru

Другая задача - о поведении атома водорода в очень сильном магнитном поле. Ее решение важно для понимания процессов, происходящих в нейтронных звездах, где электронное облако оказывается «прижатым» большими магнитными полями к ядру атома в перпендикулярных к магнитному полю направлениях. Это существенно увеличивает энергию, необходимую для «вырывания» электрона из атома, т. е. энергию связи электрона в атоме.

«То же самое имеет место и в квантовой проволоке, и в квантовой яме, где аналогом атома водорода служит экситон - связанное состояние электрона и положительно заряженной частицы - дырки. Например, энергия связи экситона внутри квантовой ямы оказывается в четыре раза больше, чем вне ее, поскольку составляющие экситон - электрон и дырка - сильно прижаты друг к другу потенциалом квантовой ямы. Еще сильнее возрастает энергия связи экситона в квантовой проволоке, где электрон и дырка прижаты друг к другу в двух перпендикулярных ее оси направлениях. И мы это видим по оптическим спектрам таких структур без приложения невообразимо сильных магнитных полей, при которых это происходит в нейтронных звездах», - говорит профессор Сурис.

Таким образом, квантовая механика - это, с одной стороны, мощная фундаментальная теория, но с другой - практический инструмент. И за это она вполне может называться аналогом сопромата в современном мире, мире информационных технологий, основой которых служат полупроводниковые электронные и оптоэлектронные устройства. 

Источник: АНИ «ФИАН-информ»