Экзотические вещества

Введение…………………………………………………………...	3
1. Концепция металлического  водорода……………………...	3
2. Конденсат Бозе-Эйнштейна……………………………………………	5
3. Молекулярные  магнетики……………………………………………	8

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Экзотические вещества — понятие физики элементарных частиц, описывающее любое вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий, либо не состоит из известныхбарионов. Подобные вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная плотность энергии или отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Экзотическая материя используется в некоторых теориях, например, в теории о строении кротовых нор.

Экзотической материей ещё называют любой материал, который трудно произвести (например, металлический водород при высоком давлении или конденсат Бозе-Эйнштейна), или который имеет необычные свойства (например, фуллерены или нанотрубки), даже если эти материалы созданы и относительно хорошо изучены.

Так ещё могут называть материал, созданный из некоторых видов экзотических атомов, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний). Имеются также атомы с отрицательным мюоном вместо одного из электронов (мюонный атом).

 

1. Концепция металлического водорода

 

Температура, при которой газообразный водород становится жидкостью, составляет 20 К. Перевести жидкий водород в твердое состояние можно, понизив температуру еще на 6 К. В 1935 году Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон опубликовали статью [1], в которой они первыми предположили, что при высоких давлениях водород из газа с диэлектрическими свойствами должен превратиться в проводящий металл. Превращение, по мнению авторов, будет происходить при давлении примерно 25 ГПа. В 1971 году появилась работа советских теоретиков во главе с Юрием Каганом, которые доказывали, что металлический водород может оказаться метастабильным. Однако всё еще неизвестно, будет ли время существования такой метастабильной фазы достаточным, чтобы попытаться измерить ее свойства и успеть применить.

В экспериментальном  плане первый успех, связанный с водородом, был достигнут, когда в феврале 1975 года группа ученых под руководством Леонида Верещагина из Института физики высоких давлений СССР получил водород в металлическом состоянии. При температуре 4,2 К в тонком слое водорода, подвергнутым с помощью алмазных наковален давлению около 300 ГПа, ученые наблюдали уменьшение электрического сопротивления водорода в несколько миллионов раз, что служило свидетельством перехода в металлическое состояние.

Алмазная наковальня, использующаяся для получения высоких  давлений, представляет собой два  искусственных алмаза, которые прижимаются друг к другу остриями с помощью пресса. В результате на срезе диаметром всего несколько десятых долей миллиметра достигается необходимое давление. В этом месте в ячейке микрометрового размера находится охлажденный образец. Часто эксперименты делаются с образцами в виде тонких пленок, толщиной до 1 мкм. В том же месте к образцу подводятся миниатюрные измерительные приборы: термопары, электроды и другое необходимое оборудование.

Возникает вопрос: если водород может стать металлическим, то возможен ли дальнейший переход такого состояния в сверхпроводящее? Будет ли металлический водород сверхпроводником? Первым, кто задался таким вопросом, был Нейл Эшкрофт, который в 1968 году (спустя 11 лет после объяснения явления сверхпроводимости), используя теорию БКШ, предсказал, что металлический водород будет обладать экзотическими свойствами, в частности сверхпроводимостью, при высокой температуре, превышающей 200 К  [2].

И вот недавно вышла  совместная работа итальянских и  немецких физиков-теоретиков [3], в которой утверждается, что, благодаря электрон-фононному механизму образования куперовских пар, критическая температура перехода T_c молекулярного водорода из металлического в сверхпроводящее состояние может достигать рекордного на данный момент значения 242 К. Правда, при этом должно быть огромное давление — 450 ГПа, что приблизительно в 4,5 млн раз больше земного атмосферного давления.

Процесс электрон-фононного образования куперовских пар происходит при перемещении электрона в периодической решетке кристалла. При этом электрон притягивает ближайшие положительно заряженные ионы, слегка деформируя решетку и образуя кратковременное увеличение концентрации положительного заряда. Эта увеличенная концентрация положительного заряда притягивает другой электрон. Таким образом, эти оба электрона посредством кристаллической решетки притягиваются. Ионы при ненулевой температуре совершают колебания около своих положений равновесия. Кванты таких колебаний называются фононами.

Под электрон-фононным взаимодействием подразумевается сложный процесс взаимодействия электронов с движущейся (колеблющейся) кристаллической решеткой. Когда электрон-фононное взаимодействие превысит кулоновское отталкивание двух электронов, то эти два электрона могут образовать куперовскую пару. Если температура равна нулю, свободный электрон, перемещаясь по кристаллу и возбуждая колебания решетки, может излучить фонон, который будет поглощен другим электроном. В этом случае, как говорят физики, происходит акт электрон-фононного взаимодействия электронов, а значит, электроны могут объединиться в куперовскую пару.

 

 

 

 

 

2. Конденсат Бозе-Эйнштейна.

 

Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) назван так по имени индийского физика Шатъендраната Бозе, на основе работ которого Альберт Эйнштейн 75 лет назад предсказал возможность существования агрегатного состояния вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. 70 лет спустя, в 1995 году, первый бозе-конденсат был получен в Объединённом институте лабораторной астрофизики (JILA) (относящемся к Университету штата Колорадо в Боулдере и Национальному институту стандартов) Эриком Корнеллом и Карлом Виманом. Учёные использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый до 5,9 пикокельвин (пК) (5,9·10⁻¹² кельвин). За эту работу им, совместно с Вольфгангом Кеттерле из Массачусетского технологического института, была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года.

Главная проблема заключалась в том, чтобы добиться глубокого охлаждения вещества. Температуру  газа следовало довести до уровня, всего на несколько стомиллионных  долей градуса превышающего абсолютный нуль. 
     Для достижения таких температур обычные холодильники, конечно, не годятся. И даже турбодетандеры, сжижающие гелий, азот и другие газы, не помогут. В своих опытах ученые решили использовать комбинации двух методов глубокого охлаждения, разработанных относительно недавно: лазерного охлаждения и охлаждения испарением. 
     Экспериментаторы тормозили атомы газа магнитными ловушками, затем замедляли их движение, заставляя продираться сквозь густосплетение множества лазерных лучей. А далее, опять же лазерным лучом, отгоняли самые быстрые горячие атомы, пока не осталось сколько-то окончательно замерзших, обездвиженных. 
     Полученный таким образом конденсат представлял собой висящее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состоящее из 2000 атомов рубидия. Причем облачко это имело температуру, лишь на две стомиллионных доли градуса превышавшую абсолютный нуль. 
     Главная особенность данного конденсата, как установили, состоит в том, что образующие его атомы при таких температурах переходят на самый низкий энергетический уровень из всех возможных. Все они теряют свою самостоятельность и начинают вести себя, словно один гигантский атом. Образуется совершенно необычное вещество, являющееся в то же время волной, как любая элементарная частица.     

Первыми достигли необходимого результата американцы. Немец Кеттерле был разочарован, узнав, что Корнелл и Вейман его опередили. Однако решил продолжать собственные эксперименты. 
     На то были, впрочем, особые причины. Во-первых, он шел своим путем. Во-вторых, в своих опытах он использовал атомы натрия, а не рубидия. И спустя три месяца он тоже добился желаемого результата. Причем ему удалось получить в 100 раз больше конденсата, чем конкурентам. 
     Кроме того, на основе конденсата Бозе - Эйнштейна он решил построить атомный лазер. И создал его в 1996 году. 
     В отличие от света, испускаемого обычной лампочкой, лазер, как известно, испускает когерентное излучение. То есть все испускаемые им фотоны имеют одну и ту же энергию, длину и фазу волны. Если вместо света использовать синхронизированные атомы - как раз такие, что составляют конденсат Бозе - Эйнштейна, - можно говорить об атомном лазере, обладающем большей эффективностью, нежели обычный. Между оптическим и атомным лазерами есть как аналогии, так и различия. Аналогом активной среды оптического лазера в атомном выступает бозе-конденсат из ультрахолодных атомов. В обоих случаях внешняя энергия приводит к тому, что из активной среды вырывается когерентное излучение.  
     Но происходит это не в результате спонтанного излучения атомов активной среды, как в оптическом лазере, а вследствие более сложного взаимодействия атомов, которое приводит к образованию своеобразных капель "жидкого света". Они обладают чуть меньшей скоростью, нежели фотоны, зато намного большей энергией. 
     Использовать вместо луча света пучок атомов предлагалось еще четверть века тому назад, когда в Америке началась разработка программы "Звездные войны". Такая замена резко бы увеличила мощность луча, что было необходимо для оружия, подготавливаемого для войн в космосе. Но интересен такой лазер не только мощностью. 
     Как предполагают ученые, с помощью атомного лазера можно будет вести изготовление микросхем с такими возможностями, о которых мы сегодня и мечтать не смеем. Ведь новый инструмент позволяет распоряжаться атомами поштучно, выстраивая из них, словно из кирпичей, какие угодно ансамбли.

Другая сфера  применения КБЭ - сверхпроводники. Сверхпроводимость  достигается путем низкотемпературной конденсации электронов в пары. Парные связки электронов образуются только в определенных веществах при определенных условиях, например, в алюминии, охлажденном до 1.2 кельвина. Одиночные электроны не могут использоваться для получения КБЭ, потому что они представляют собой несовместимые по волновым функциям фермионы, но когда они объединяются в пары, в результате получаются бозоны, которые немедленно конденсируются в КБЭ. (Подобный процесс спаривания и конденсации происходит в сверхтекучем гелии-3, атомы которого являются фермионами).

    Наконец,  свойства КБЭ наблюдаются в  экситоне (от лат. excito - возбуждаю). Это квазичастица, которая представляет собой связанное состояние электрона и так называемой "дырки" - отсутствующего электрона в узле кристаллической решетки полупроводника. В такую пару могут на короткое время объединяться генерируемые лазерным импульсом электрон и дырка, которая ведет себя как положительно заряженная частица. В 1993 году физики наблюдали образование из экситонов кратковременного газообразного конденсата в полупроводнике на основе окиси меди. 

 

3. Молекулярные магнетики

 

Это новый, третий тип магнитных материалов. В отличие от первых двух, широко известных – металлов и их сплавов, ионных оксидов и шпинели – молекулярные магнетики построены из высокоспиновых блоков – полирадикалов или комплексов, включающих ансамбли ионов железа, кобальта, меди и других парамагнитных ионов, армированные органическими молекулами – лигандами. Молекулярные магнетики – и чисто органические, и смешанные металл-органические – уже существуют и доступны как монокристаллы, порошки, стекла [4].

Проблемой дизайна и синтеза молекулярных  магнетиков относится к разделу магнетохимии, которая, в свою очередь, является частью физической химии, изучающей зависимость между магнитными свойствами и химическим строением веществ, а также влияние магнитного поля на химические свойства веществ (как то: растворимость и проч.) и на их реакционную способность.

Дизайн молекулярных магнетиков — одно из новых научных направлений современной химии, связанное с синтезом систем высокой размерности. Сегодня достижения современной химии таковы, что химики могут ставить перед собой сверхзадачу — синтезировать в мягких условиях готовое изделие, скажем, монокристалл, сразу, как цельный макрообъект, из исходных молекулярных компонентов. При этом становятся равноправно значимыми как внутримолекулярные, так и межмолекулярные взаимодействия и связи. Причем, они должны быть не какими-то случайными, а выполняющими определенную функциональную нагрузку. В результате из отдельных молекул должен получиться макрообъект с неким кооперативным свойством, которое присуще природе кристалла, то есть природе макроансамбля, а не отдельно взятой молекуле [5].

Молекулярные магнетики  обладают разнообразным сочетанием физических характеристик, которое  для классических магнитных материалов трудно было даже представить. Сегодня существует возможность получения кристаллов молекулярных магнетиков, которые по сравнению с классическими магнитными материалами необычайно легкие, поскольку их плотность в 5-7 раз меньше. При этом они могут быть оптически прозрачными в видимой и инфракрасной областях спектра. И еще одна из особенностей — они, как правило, диэлектрики.