Техника - молодёжи 1969-12, страница 3

МОЛОДОМУ УЧЕНОМУ -ПРЕМИЯ ЛЕНИНСКОГО КОМСОМОЛА

В прошлом году, с 1 февраля по 1 мая, проводился конкурс на соискание премии Ленинского комсомола е области науки и техники, на который было представлено 69 научных работ. Комиссией, возглавляемой академиком Н. Басовым, присуждено 12 премий.

Наш журнал (№ 5 за 1969 г.) уже писал об одной из работ, удостоенной премии Ленинского комсомола, — о сейсмоакустическом способе морской геологической разведки. Сегодня мы рассказываем о другом научном достижении, отмеченном премией, — «радиочастотном размерном эффекте», или «эффекте Гант-махера».

Пять лет назад на Международной конференции по физике низких температур демонстрировалась необычная таблица Менделеева, на которой были выделены около 26 металлов с полностью или частично изученной Ферми-поверхностью.

Из этих элементов только три были исследованы «размерным эффектом».

С тех пор положение существенно изменилось. Некогда новый научный метод стал теперь классическим оружием в руках физиков-металло-ведов. Открытие молодого ученого, доктора физико-математических наук, старшего научного сотрудника Института физики твердого тела (г. Ногинск) Всеволода Гантмахера по достоинству оценено советскими и зарубежными коллегами.

Рис. 1.

Канд. физ.-мат. наук А. ШИБАНОВ, наш. спец. корр.

ПРОФИЛЬ ГРАНИЦЫ-НЕВИДИМКИ

^Е КОМСОМОЛ

н ТЕХНИЧ1СКИИ

ПРОГРЕСС

П

ричина неповторимого своеобразия металлов — свободные электроны. Именно они, блуждая по кристаллу, придают материалу высокую электропроводность, ковкость, блеск, сверхпроводимость при низких температурах и многие другие удивительные свойства. И что самое поразительное, из всего несметного числа свободных электронов (около 10²³ в каждом кубическом сантиметре) лишь небольшая часть приняла на себя нелегкое бремя «металличности».

Свободные электроны с равными по величине скоростями обладают одинаковой энергией. Правда, микрочастица может двигаться куда угодно. Но в какую бы сторону ни устремлялась стрелка, изображающая скорость электрона, она неизбежно упрется в сферу радиуса v. Нарисовав такой шар, мы заведомо исчерпаем все возможные направления одинаковых скоростей.

Чтобы перейти к другой скорости, а значит, и к другой энергии, мы должны начертить иную сферу. В квантованном мире электронов величины скоростей и энергий меняются не непрерывно, а скачками. Поверхность следующего (ближайшего) шара будет отстоять от упомянутого на строго определенном расстоянии. Для «разноскоростных» электронов мы получаем набор сфер, вложенных одна в другую, — наподобие знаменитого китайского сувенира.

В распоряжении микрочастиц оказывается не вся поверхность каждой сферы, а лишь избранные (разрешенные) точки на ней. Словно минутная стрелка на уличных электрочасах, перескакивает «стрелка-скорость» из одного положения в другое, от одной точки к другой (рис. 1). В воображаемом «пространстве скоростей*» воздвигается гигантская многоквартирная «гостиница» для свободных электронов.

приходится довольствоваться верхними. -Наконец «гостиница» заполнена. И вот тут-то обнаруживается, что самые «нерасторопные» электроны в привилегированном положении. Только их и можно считать по-настоящему свободными.

Последнюю заполненную ими сферу окружает незаполненная. Электронам ничего не стоит приобрести дополнительную энергию и перейти на этот незаселенный этаж. Именно так они и поступают, ускоряясь во внешнем электрическом поле и образуя электрический ток в металле.

Иное дело — электроны (а их большинство), успевшие уйти поглубже. За каждой стенкой соседи, и никто не уступит места. А это значит, что все они пассивны — не могут ни ускориться, ни замедлиться. На них не действует электрическое поле, и в электрическом токе они не участвуют.

При любом воздействии на металл мы имеем дело только с электронами на последней заполненной сфере. Только эти «чердачники» и способны поглощать энергию электрического поля или света, только они определяют электрические и оптические свойства вещества. От поведения только этих электронов зависят твердость, пластичность, теплопроводность, сверхпроводимость всего кристалла. Буквально все сугубо металлические свойства «сфокусировались» на этой сфере, которую принято называть Ферми-поверхностью.

Английский физик А. Макинтош считает даже: «Самое современное и полное научное определение металла — твердое тело, обладающее поверхностью Ферми». К сожалению, лишь в простейших случаях эта поверхность шарообразна. Свойства реальных кристаллов не одинаковы в различных направлениях. Ведь густота размещения атомов на различных

Все в природе подчиняется неумолимому закону; любое тело стремится уменьшить свою энергию в поле тяжести Земли. Не менее строгое правило царит и в микромире. Электроны стремятся избавиться от «лишней» энергии. Они бы рады сгрудиться на самом нижнем этаже «гостиницы», разместиться на «поверхности самой крохотной сферы. Но, на их беду, вступает е действие «административный» запрет — принцип Паули. Не больше двух электронов могут абонировать «номер» — каждую разрешенную на сфере точку.

Среди «постояльцев» разгорается борьба за наиболее выгодные места. Кто успел — занял нижние этажи, остальным

Нарис. 1 в заголовке:

В образце металла свободные электроны могут двигаться равновероятно в любую сторону. В пространстве скоростей каждая заполненная сфера соответствует электронам одинаковой энергии. Внешняя сфера — незаполненная, на нее могут «перескакивать» электроны с Ферми-поверхности. Для пояснения приведем такую аналогию. Пусть по гладкой асфальтовой площади по какому угодно маршруту равномерно дви* жутся пешеход, велосипедист и автомобилист со скоростью (соответственно) 5, 20 и 40 км/час. В пространстве скоростей их движение можно изобразить концентрическими окружностями (туловище, рама и кузов), а также усеченной сферой («качающиеся» ноги пешехода) и двумя целыми сферами (велосипедные и автомобильные колеса) с радиусами S, 20 и 40 км/час.

1