Квантовая механика 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 "Сопротивление 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".

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 нее, 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.

/15.08.2012/ По материалам АНИ "ФИАН-информ"