Новая теория опрокидывает физику твёрдого тела

Электроны, бегущие по проводнику, демонстрируют разнообразные повадки. То нагревают материал, то показывают эффект сверхпроводимости, то бегут согласованно, то начинают "толкаться". Физики пытаются понять загадочную "электронную душу", чтобы создать сверхминиатюрные электронные приборы.

Группа физиков из Австралийского Национального университета (Australian National University) во главе с Макандой Дасом (Mukunda Das) опубликовала новую теорию, ставящую под сомнения некоторые устоявшиеся представления физики твёрдого тела.

Речь идёт о поведении электронов в сверхминиатюрных устройствах.

 

 

Если число электронов, кодирующих один бит, так мало — вплоть до считанных штук — то становятся значимыми квантовые эффекты и так называемые "электронные шумы", приводящие к искажению информации.

До сих пор главной теорией, описывающей поведение электронов в таких условиях, была теория, созданная в 1980-х Рольфом Ландауером (Rolf Landauer) и Маркусом Бюттикером (Markus Buttiker), в то время — исследователями IBM.

Этой теорией пользуются повсеместно, хотя она не в состоянии объяснить результаты опыта, проведённого в 1995 году в израильском институте Вайзмана (Weizmann Institute of Science) доктором Михаилом Резниковым.

Тогда учёные изучали прохождение потока электронов по так называемым "квантовым контактам", способным пропустить лишь один электрон одновременно.

Добавление в систему второго такого контакта приводило к кратковременному повышению электронного шума, который потом резко падал.

И это притом, что теория Ландауера и Бюттикера предсказывает лишь рост шума в таком опыте.

Фрагмент квантового проводника. Возможно, новая теория поможет сделать новый шаг на пути уменьшения масштабов электронных схем (иллюстрация с сайта nanophys.ethz.ch).

Дас объявил, что ему и его коллегам удалось снять противоречие, и новая теория учитывает для таких систем взаимное влияние электронов.

По Дасу, электроны ведут себя в квантовом проводнике, как автомобили на запруженном шоссе.

Пока вокруг тесно, и бамперы едва не касаются друг друга, машинам и электронам деваться особо некуда, потому они движутся общим потоком, а шумы (хаотичные перестроения) малы.

Когда появляется новый контакт (лишний ряд), шум возрастает, пока часть электронов "увлечённо" занимает свободное пространство.

Когда же автомобилисты-лихачи быстро заполнят предоставленное место — картина снова будет похожа на исходное состояние с ползущими согласованно машинами.

	Маканда Дас утверждает, что заранее предвидел критику со стороны оппонентов и то, что его работа по изучению электронного шума поднимет большой шум (фото с сайта anu.edu.au).

На своём сайте Дас пишет, что в его работе, занявшей, кстати, четыре года, ключевым моментом является теория ферми-жидкости Ландау.

О чём, как с сожалением пишет учёный, в популярной литературе почему-то не пишут. Исправляем это упущение.

Видимо, австралиец хочет подчеркнуть преемственность своих исследований и правомерность выводов, коль скоро они математически согласуются с общепринятой теорией.

Не берёмся судить о деталях теории австралийца, но напомним, что теория ферми-жидкости Ландау лежит в основе современных представлений о свойствах металлов.

Согласно этой теории, существует взаимно однозначное соответствие между основным и низколежащими возбуждёнными состояниями системы взаимодействующих электронов (ферми-жидкости) и соответствующими состояниями системы невзаимодействующих электронов (ферми-газа).

Один из важных аспектов открытия Даса и его сотрудников — применимость понятия ферми-жидкости (те самые машины на забитом до отказа шоссе) к системам, подобным той, что была изучена в обсуждаемом опыте.

Маркус Бюттикер не верит в корректность вычислений австралийской команды (фото с сайта abc.net.au).

Новая теория, как предсказывают, хотя и с осторожностью, не только сами её авторы, но и ряд физиков в других научных центрах, поможет создать электронику нового поколения с ещё меньшими деталями схем.

Пока этому уменьшению как раз мешают электронные шумы.

Но, как полагает Дас, шум — не просто вредная помеха, но важная информация о системе, о её состоянии.

Если понять закономерности в возникновении такого электронного шума, можно строить микросхемы, оперирующие электронами едва ли не поштучно.

Профессор Алекс Гамильтон (Alex Hamilton) из университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales), который сейчас ставит опыты, аналогичные опытам Резника, одобрительно отозвался о теории Даса сотоварищи и назвал её большим прыжком вперёд.

Пример системы с квантовыми точечными контактами (фотографии с сайта ntserv.fys.ku.dk).

А вот Маркус Бюттикер, работающий сейчас в университете Женевы (University of Geneva), отозвался о новой работе австралийцев, что, мол, это "не наука", "подтасовка вычислений" и "ноль по десятибалльной шкале научного результата".

В любом случае, многие учёные (но не Бюттикер, очевидно) сходятся во мнении, что необходимы дальнейшие проверки правоты той или иной стороны и, возможно, всё же понадобится пересмотр некоторых положений физики твёрдого тела.

Статья получена: Membrana.ru