Фундаментальные эксперименты классической физики

Данное противоречие было разрешено только в рамках квантовой  механики. Грубо говоря, в последней электрон может обращаться вокруг ядра, при этом находясь в стационарном состоянии, в котором такие величины, как плотность заряда и ток, не зависят от времени (стационарны). Поскольку электромагнитное излучение порождают именно ток и заряд, стационарные состояния не излучают волны и в результате стабильны.

 

 

 

 

 

Открытие сверхпроводимости  и сверхтекучести. Куперовские пары

 

 

Поразительный эффект резкого  спадания сопротивления ртути до нуля при температуре, близкой к  абсолютному нулю, был открыт голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом (1853–1926) в 1911 году. Он первым в истории достиг перехода гелия в жидкое состояние, который происходит при атмосферном давлении при температуре 4,2 К. В своей криогенной лаборатории он занимался изучением зависимости электрического сопротивления металлов от температуры: согласно классическим представлениям, оно должно было плавно падать вместе с понижением температуры, но при очень низких температурах возрастать из-за «вмораживания» электронов в кристаллическую решетку. Действительно, в классике средняя кинетическая энергия свободных электронов должна быть пропорциональна температуре и поэтому становиться равной нулю при нуле кельвин. Однако при сверхнизких температурах этого не наблюдалось — наоборот, налицо был фазовый переход в сверхпроводящее состояние.

По современным представлениям, сформулированным в теории Бардина–Купера–Шриффера (БКШ) в 1956 году, сверхпроводимость —  это макроскопический квантово-статистический эффект, возникающий из-за образования  так называемых куперовских пар. Куперовские пары — это связанные состояния двух электронов, которые возникают в результате специфического взаимодействия электронов и колебательных возбуждений кристаллической решетки — фононов. Существенной особенностью куперовских пар является их нулевой суммарный спин (спины двух электронов компенсируются), поэтому на них не распространяется принцип запрета Паули. В результате куперовские пары могут накапливаться в низшем энергетическом состоянии, соответствующем нулевому импульсу, образуя так называемый бозе-эйнштейновский конденсат. Частицы конденсата не могут обмениваться энергией с остальными электронами и с ионами кристаллической решетки, поскольку это запрещают законы сохранения энергии и импульса. В итоге мы получаем жидкость, состоящую из куперовских пар и способную перемещаться сквозь кристаллическую решетку без потерь энергии.

Сверхтекучесть была открыта в 1938 году Петром Леонидовичем Капицей (1894–1984) в жидком гелии-3 при  температурах ниже 2,172 К. Ядра гелия-3, в  отличие от гелия-4, обладают спином 1/2; таким же спином обладает и атом изотопа ³Не. Из-за своего полуцелого спина, как показал Лев Ландау в своей теории сверхтекучести (1941), атомы гелия-3 способны образовывать куперовские пары подобно электронам в сверхпроводнике. Эти пары образуют конденсат, что приводит к отсутствию в сверхтекучем гелии вязкого трения. Более того, сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронной жидкости: течение последней сквозь кристаллическую решетку не подвержено потерям на трение, которые воспринимаются как джоулево тепло. А отсутствие выделения джоулева тепла в неподвижном проводнике с током говорит о его нулевом сопротивлении.

Первооткрыватели сверхпроводимости  и сверхтекучести, а также авторы теорий этих явлений были удостоены в общей сложности четырех Нобелевских премий по физике: Камерлинг-Оннес — в 1913 году, Капица — в 1978 году, Бардин, Купер и Шриффер — в 1972 году, а Ландау — в 1962-м.

 

 

 

 

 

Опыт Томсона–Тартаковского по дифракции электронов на тонкой поликристаллической пленке

 

 

Опыт, подтвердивший волновые свойства материальных частиц, был  проведен в 1928 году Джорджем Паджетом Томсоном (1892–1975), а также независимо за год до него Петром Савичем Тартаковским (1895–1940). В нем использовалась еще  одна техника, развитая прежде в рентгеноструктурном анализе, а именно, метод Дебая–Шерера. В этом методе используется уже поликристаллическая пластинка L, через которую пропускают электронный пучок высокой энергии и затем наблюдают дифракционную картину на стоящей за поликристаллом фотопластинке P (Рис. 5). В отличие от монокристалла, использовавшегося в эксперименте Дэвиссона–Джермера, поликристалл состоит из маленьких кристалликов, внутри которых имеет место строгий порядок; сами же кристаллики расположены беспорядочно друг по отношению к другу.

Если бы не было дифракционных  эффектов, кристаллики рассеивали бы свет во всех стороны. Однако условие Брэгга–Вульфа говорит, что отражение электронного пучка от грани кристаллика происходит тогда, когда угол φ между падающим пучком и нормали к отражающей грани удовлетворяет соотношению:

Угол, на который в  результате рассеивается падающий пучок, составляет 2φ. В итоге множеством всевозможно ориентированных кристалликов падающий пучок рассеивается в несколько  конусов с углами раствора

При этом дифракционная картина  имеет вид концентрических окружностей (Рис. 6). Данное явление было хорошо изучено в случае рентгеновского излучения, а Томсон и Тартаковский исследовали случай пучка электронов.

Томсон использовал  электроны гораздо более высоких энергий, чем Дэвиссон и Джермер, чтобы на пластинке уместилось хотя бы несколько дифракционных кругов и чтобы заметная часть пучка прошла через поликристалл (для электронов низких энергий он становится практически непрозрачным). Действительно, даже для электронов с энергией, равной десяткам кЭв, поликристаллическая пластинка подбиралась очень тонкой — всего лишь десятые и сотые доли микрометра! Это в десятки-сотни раз меньше длины волны видимого света. Монохроматический пучок таких электронов обладал длиной волны менее ангстрема, благодаря чему наблюдалась желаемая дифракция. Далее, аналогично опыту Дэвиссона–Джермера, исследовалась зависимость длины волны электрона от их кинетической энергии. Кроме того, полученное из измерения радиусов дифракционных колец расстояние  между кристаллическими плоскостями частиц поликристалла сравнивалось с результатами опытов с рентгеновскими лучами. Результаты совпали, что говорило в пользу единства свойств пучка электронов и электромагнитной волны высокой частоты.

 

 

Транзистор

 

 

Наверное, ни одно из открытий современной физики не повлияло столь непосредственно на жизнь людей, как транзистор. Благодаря своим преимуществам перед электронной лампой транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание и широкое использование быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти. Наиболее очевидные преимущества транзистора: он имеет малый объем, работая при меньших значениях напряжений, не требует громоздких источников питания, у него отсутствует нагреваемый катод, требующий времени на разогрев и отвод тепла. И наконец, еще одно важное свойство транзистора, которое особенно ценно при его применении в ЭВМ, — это малое количество потребляемой энергии в расчете на один бит информации  и его исключительная долговечность. Изобретение транзистора действительно явилось знаменательной вехой; не удивительно, что его авторы — Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли — были удостоены Нобелевской премии по физике за 1956 г.

Однако история создания транзистора — это не есть история какого-либо одного тщательно поставленного эксперимента. Напротив, открытие транзистора оказалось лишь одним из этапов весьма обширной программы по исследованию полупроводников, проводимой группой совместно работающих ученых. Среди них были не только физики, но и специалисты по электронике, физической химии и металловедению. Как говорил Бардин в своей Нобелевской лекции, «общая цель программы состояла в том, чтобы как можно глубже разобраться в явлениях, наблюдаемых в полупроводниках, причем не эмпирически, а объяснить их на основе атомной теории». Собственно, Нобелевская премия была присуждена названным ученым даже не за изобретение транзистора, а за осуществление исследовательской программы в целом. Тем не менее, Бардин отмечал, что, «помимо собственно научного интереса, важная причина выбора полупроводников в качестве перспективной области исследования состояла во все расширяющихся многочисленных применениях их в электронных устройствах, к каковым в 1945 г. относились преимущественно диоды, варисторы и термисторы. В течение долгого времени существовала надежда создать триод, или усилитель, на полупроводниках». Таким образом, хотя первоначально целью работы не ставилось создание такого устройства, эта возможность всегда имелась в виду.

Начало серьезных исследований в области полупроводников восходит, по крайней мере, к 1833 г., когда Майкл Фарадей обнаружил, что проводимость полупроводников (он работал с сульфидом серебра) растет с повышением температуры — в противоположность проводимости металла, которая в этом случае уменьшается. В конце прошлого столетия были установлены три других важных свойства: возникновение электродвижущей силы при освещении полупроводника, используемого в качестве одного из электродов в электролитической ванне рост проводимости полупроводника при его освещении; выпрямляющее свойство контакта между металлом и полупроводником. Следует заметить, что два метода резкого изменения проводимости полупроводника — путем нагрева и освещения — были открыты довольно давно. Транзисторный эффект добавил к ним третий метод, позволяющий управлять проводимостью посредством тока.

В письме Братейна так описывался это эксперимент

«Однажды утром Бардин зашел ко мне в кабинет и предложил определенную геометрию устройства, в котором мог быть использован эффект усиления. Я предложил пойти в лабораторию и проверить это.

Мы покрыли металлический наконечник тонким слоем воска и прижали его к куску кремния р-типа, поверхность которого была обработана таким образом, что происходил переход к проводимости п-типа. Затем нанесли вокруг контакта каплю воды и подвели к ней электрод (Рис. 7). Точка контакта была изолирована от воды слоем воска. Обнаружилось, что приложенные между водой и кремнием потенциалы изменяют ток, текущий через металлическое острие в кремнии. В этот день было получено усиление по мощности!»

Действие описанного устройства состоит в следующем. Металлическое острие смещается в «обратном» направлении, а именно в таком, что протекающий ток мал. Частично этот ток состоит из электронов, проходящих через поверхностный слой п-типа. Приложение к электролиту отрицательного потенциала уменьшает число электронов в слое, что обусловлено изменением поверхностных состояний (эффект поля), и соответственно уменьшает ток через металлическое острие. Через электролит протекает лишь ничтожный ток, и, таким образом, достигается усиление по току и по мощности (но не по напряжению). Бардин отмечал, что для успеха опыта было существенно использовать материал, имеющий очень хорошие объемные электрические свойства, а также ограничить поток электронов в поверхностном слое путем модификации самого материала (например, изготовляя слой п-типа в материале р-типа), а не с помощью осаждения пленки, в которой подвижность электронов заметно снизилась бы.

Продолжим рассказ Браттейна. «Бардин предложил провести аналогичный эксперимент на германии п-типа, и это дало еще лучший результат. Однако капля воды испарялась, как только устройство начинало хорошо работать, так что, по предложению Гибни, мы заменили воду боратом гликоля, который почти совсем не испаряется. Другая проблема состояла в том, что усиление достигалось лишь при частотах, меньших или равных 8 Гц. Мы объяснили это медленным действием электролита. Оптимальных результатов удалось достигнуть, когда к электролиту было приложено постоянное отрицательное напряжение при использовании германия п-типа. При этих условиях мы заметили, что под электродом образуется анодная оксидная пленка. Мы решили напылить на такую пленку немного золота и далее— так как пленка изолирует золото от германия — использовать золото как полевой электрод и обойтись без электролита. После образования пленки мы смыли электролит и напылили золото, оставив в центре отверстие для металлического острия. В результате происшедшего затем электрического пробоя между острием и золотом центр капли был испорчен. Когда же контакт переместили на край золотого пятна, был обнаружен новый эффект; смывая электролит, мы непредвиденно смыли и растворимую в воде оксидною пленку. Пришлось заново напылять золото на свежеанодированную поверхность германия. После приложения к золоту небольшого положительного потенциала появился поток дырок в направлении к поверхности германия, который сильно увеличил ток, идущий от германия к металлическому острию, находящемуся под большим отрицательным потенциалом»

После этой предварительной работы, результаты которой не публиковались, создание практически полезного устройства на основе наблюдаемого эффекта было почти неизбежным. Оставалось лишь разработать подходящую схему такого устройства. Вот как описывал существенную часть этого устройства Браттейн в интервью, данном им в 1964 г. в Центре истории физики при Американском физическом институте.

«После обсуждений с Джоном Бардиным мы решили, что следовало установить на поверхности достаточно близко друг к другу два точечных контакта (на основании приблизительных расчетов расстояние между ними было оценено в 0,002 дюйма). Наименьшие использованные нами для точечных контактов провода имели 0,005 дюйма в диаметре. Сложность заключалась в том, чтобы создать два контакта на поверхности на расстоянии не более 0,002 дюйма друг от друга при помощи двух симметрично заостренных проводов диаметром 0,005 дюйма, которые не должны были касаться друг друга.

Мы решили эту проблему, поручив технику вырезать из полистирена треугольную пластину с небольшим узким и плоским краем и прикрепили к нему кусочек золотой фольги. После того как фольга была прочно прикреплена, просушена и к ее концам присоединены контакты, я очень аккуратно разрезал бритвой золотую фольгу в вершине треугольника пополам. Я мог точно указать момент, когда я разделил эту фольгу. Это было все, что я сделал. Я осторожно резал бритвой до тех пор, пока цепь не разомкнулась. Затем я укрепил все устройство на пружине и поместил его на тот самый образец германия, который был заранее анодирован, но находился без употребления примерно в течение недели, Я обнаружил, что, когда я устанавливаю его правильно, так что возникает контакт с обеими частями золотой фольги, и если один из контактов служит эмиттером, а другой — коллектором, то я получаю усилитель с коэффициентом усиления около 100 во всем звуковом диапазоне частот».

Успех был достигнут 23 декабря 1947 г., и об этом Бардин и Браттейн сообщили в письме в редакцию журнала The Physical Review в июле того же года. Подробное обсуждение физических принципов и электрических характеристик устройства было дано ими в статье, опубликованной в The Physical Review в апреле 1949 г. Ниже мы цитируем их первое письмо.

«Приводится описание трехэлементного электронного устройства, использующего вновь открытый принцип, который основан на применении полупроводника в качестве основного элемента. Устройство может быть использовано как усилитель, генератор и для других целей, для которых обычно применяются вакуумные электронные лампы. Устройство состоит из трех электродов, размещенных на германиевом блоке, как показано схематически на Рис. 8.

Два из этих электродов, называемые эмиттером и коллектором, являются выпрямителями с точечным контактом и располагаются в непосредственной близости друг от друга (0,005—0,025 см) на верхней поверхности. Третий электрод большой площади, имеющий низкое сопротивление, нанесен на основание («базу»).