Lumea cuantică este foarte departe de a noastră, deci legile ei par adesea ciudate și contraintuitive pentru noi. Cu toate acestea, vestea cea mare a fizicii cuantice vin literalmente în fiecare zi, astfel încât acestea să aibă dreptul de idee despre acum este necesar - în caz contrar, munca de fizicieni în ochii noștri este transformat de la știință la magie și aglomerat cu mituri. Am vorbit deja despre computere cuantice, non-localitate, teleportarea cuantică și coerență. Astăzi vorbim despre un alt obiect ciudat - quasiparticule.
Quasiparticule, de fapt, foarte mult. Prin urmare, pentru prima reuniune am decis după cum urmează: a face mai ușor de înțeles subiectul, am întrebat profesorul de la Universitatea din Southampton si lider al grupului de cercetare Polaritonica cuantică # xBB; Centrul quantum rus Alexei Kavokin povestește succint despre cele șapte cele mai interesante, în opinia sa, quasiparticulele. Povestea lui Alexey a fost însoțită de ilustrații foarte utile și informative, principalele caractere ale cărora sunt pisicile.
Cum diferă cvasi-particulele de particule? Faptul că ei stau într-o cușcă și nu pot ieși. cvasiparticulelor Lev Landau a inventat pentru a simplifica descrierea multor procese fizice care au loc în cristalele. In schimb miliarde rezolva ecuații care descriu mișcarea atomilor și electroni într-o rețea cristalină, era suficient pentru a scrie doar câteva particule de ecuații pentru inventate - cvasiparticulelor - care se mișcă prin cristal ca un spațiu gol, ignorand atomii individuali sau ioni. Având libertate completă în interiorul cristalului, quasiparticulele nu pot ieși. Cei care îndrăznesc să privească dincolo de rețeaua cristalină trebuie să fie schimba dramatic proprietățile sale și se transformă în particule obișnuite - electroni, ioni, fotoni.
Care este diferența dintre o cvasi-particulă electronică și o particulă electron-elementară? Diferența în masă. Răspândirea în grila de cristal, electronul devine mai deschis. Vorbind mai strict: este descris electroni quasiparticle masa efectivă, care depinde de parametrii de cristal cu zăbrele. In unele cristale semiconductoare masa efectivă de electroni este de 10 sau chiar de 20 de ori mai mică decât masa unui electron liber. Mai mult decât atât, în grafen - cristal dimensional constând din atomi de carbon, construită sub forma unui fagure - unele dintre electroni cvasiparticulelor nu are masă. Toți acești electroni zboară cu aceeași viteză.
Găurile sunt ca niște bule de aer în apă. În locul apei din cristal, electronii. Locurile goale în care nu există electroni sunt găuri. La fel ca bulele de gaz, plutesc în sus, la suprafața mării electronice, care în cristal se numește suprafața Fermi. Masa găurii este negativă - de aceea apare și nu se scufundă. Gaura are o sarcină electrică egală cu sarcina electronului, dar are semnul opus. Vă întrebați: cum poate un spațiu gol să aibă o încărcătură electrică? Imaginați-vă că întregul spațiu este umplut cu apă încărcată negativ. Ce ar trebui făcut pentru ca, într-un volum alocat mic, taxa să devină zero? Răspuns: trebuie să adăugăm la acest volum cât mai multe taxe pozitive decât cele negative. Încărcarea pozitivă a orificiului compensează încărcarea negativă a lichidului de electroni.
Excitonul este similar cu un atom de hidrogen. Atomul de hidrogen este un electron încărcat negativ (particulă elementară) se învârte în jurul protonului încărcat pozitiv. Excitonul electron încărcat negativ (quasiparticle) se învârte în jurul găurilor încărcate pozitiv. Conceptul exciton dezvoltat în anii 1920, om de știință sovietic Yakov Frenkel. a observat un alt om de știință excitonilor experimental rus, Eugene Gross, în 1952. Datorită faptului că electronii și găuri în cristal mai ușor proton și electron într-un atom de hidrogen, iar interacțiunea dintre mediu cvasi-cristalin slăbit, excitoni produs foarte mare: dimensiunea caracteristică a excitonilor poate fi de sute de ori mai mare decât a unui atom. De asemenea, spre deosebire de atomul de hidrogen, excitonul nu este etern. Durata sa de viață, de obicei, nu depășește o miliardime de secundă. După acest timp, bula de aer umplut cu apă: a recombina de electroni și gaura. Dispar exciton transferă energia către rețeaua cristalină sau emite un foton - foton. Prin detectarea luminii emise de excitoni, obținem informații despre structura și proprietățile lor.
Un foton este un cuantum de lumină. Trecând printr-o rețea de cristal, fotonii își schimbă proprietățile. Dacă în gol toți fotonii zboară cu aceeași viteză - viteza luminii - atunci în cristal multe dintre ele încetinesc și chiar se opresc. Acest fenomen este numit # xAB; lumină lentă # xBB;. Interacționând cu excitonii, lumina începe să se comporte ca un lichid: formează picături, vârtejuri, valuri în picioare, cascade. Lumina poate fi dirijată prin canale, își schimbă traiectoria, viteza, polarizarea. Unii teoreticieni chiar cred că lumina poate fi înghețată. Fotonii care se propagă într-un cristal sunt cvasi-particule. Proprietățile lor diferă de cele ale celorlalți fluturași în vid. De exemplu, într-un vid, un foton nu are masa, iar în cristal se pare masa.
Fononii sunt canale de vibrație ale zăbrelelor de cristal. Conceptul fonon a fost dezvoltat de fizicianul sovietic Igor Tamm. Fononi apar datorită faptului că ionii care alcătuiesc rețeaua cristalină, nu este încă în picioare, iar intervalul de lângă pozițiile lor de echilibru. Astfel de fluctuații sunt adăugate la valuri. În limba quasiparticulelor, propagarea vibrațiilor din zăbrele este echivalentă cu fluxul de fonon. Fononi transporta sunet, aduce o contribuție semnificativă la conductivitatea termică, sunt responsabile pentru formarea altor cvasiparticulelor - perechi Cooper.
La temperaturi scăzute, în unele metale se observă superconductivitatea - propagarea unui curent electric fără rezistență. Pentru a înțelege cum apare acest fenomen interesant, puteți utiliza exemplul a două avioane care zboară una după alta într-un cerc. Planurile sunt electroni. Într-un metal, de regulă, sunt purtați la viteze mari (viteza Fermi). Flying printr-o rețea de cristal, un electron emite o quasiparticolă lentă fonon, un parașutist. După o vreme, o altă aeronavă selectează parașutistul și o aruncă din nou. Două electroni schimbă fononi, fiind la o distanță suficient de mare una de cealaltă. Mecanismul de atragere a fononului se dovedește a fi mai eficient decât repulsia quasiparticulelor având aceeași încărcătură electrică. Perele de electroni formate în acest fel - perechi Cooper - au o proprietate neobișnuită: le place să se miște cu aceeași viteză. Acest lucru conduce la supraconductivitate. Imaginați-vă o mulțime de mașini pe autostradă. Dacă toți s-au mutat la aceeași viteză, nu ar exista blocaje de trafic. Deci, fluxul de perechi Cooper se răspândește fără rezistență.
Electronii dintr-un cristal se comportă în același mod ca apa într-un lac. Sub influența vântului de pe suprafața lacului se formează valuri care măsoară un țărm al lacului, apoi celălalt. Vântul este lumină. Valurile de pe suprafața unui lichid de electroni sunt plasmone. Cristalul, ca întreg, este neutru din punct de vedere electric. Deplasarea unui lichid electronic (plasmă) încărcat negativ în raport cu o latură cristalină încărcată pozitiv are ca rezultat oscilațiile electrice de polarizare. Aceste oscilații pot fi induse de lumina frecvenței corespunzătoare. Interacțiunea dintre lumină și o plasmă electronică face posibilă transmiterea informațiilor. Această interacțiune este utilizată în microscoape de înaltă precizie. În plus, grație plasmonilor, puteți schimba culoarea obiectelor. Sticla colorată din vitralii medievale este un exemplu.
Trimiteți-le prietenilor: