Теория квантовой революции

Наука и технологии
Математическая физика
«Эксперт» №22 (901) 26 мая 2014
Явления, подобные квантовым вихрям в сверхтекучей жидкости, которые описывает теория, разработанная Натальей Берловой, наблюдаются в бозе-конденсатах холодных газов.

Оказалось, что бозе-конденсация объясняет также феномены, возникающие в магнитных материалах, где при определенных условиях формируются спиновые волны, которые можно представить как квазичастицу* — магнон, коллективное поведение которых напоминает поведение сверхтекучего бозе-конденсата.

Поясним, что такое бозе-конденсация. В зависимости от спина все частицы можно отнести к одному из двух классов — бозонов (это частицы с целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе—Эйнштейна) или фермионов (это частицы с полуцелым спином, подчиняющиеся статистике Ферми—Дирака). Наиболее разительно различие в поведении систем ферми-частиц и бозе-частиц проявляется при низких температурах. Для фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в каждом квантовом состоянии может находиться не более одной частицы, и при стремлении температуры к нулю фермионы «поочередно» заполняют возможные квантовые состояния таким образом, чтобы энергия системы была наинизшей (рисунок слева). Для бозонов не существует ограничения на число частиц в одном квантовом состоянии, и в случае когда температура становится меньше определенной величины (называемой критической температурой), происходит бозе-конденсация (иногда говорят бозе-эйнштейновская конденсация) — значительная часть частиц скапливается в наинизшем энергетическом состоянии (рисунок справа). Одним из удивительных свойств бозе-конденсатов является сверхтекучесть — способность жидкости течь без внутреннего трения (вязкости).

Подобные явления можно наблюдать в полупроводниках, в которых при определенных условиях тоже возникают квазичастицы — экситонные поляритоны, коллективное поведение которых также напоминает поведение сверхтекучего бозе-конденсата. Это явление, подобное сверхпроводимости, может оказаться интересным для практического применения, поскольку уже получены материалы, где процессы конденсирования наблюдаются при комнатной температуре.

Поясним, как возникают экситонные поляритоны. Когда электрон под действием теплоты или света покидает атом, находящийся в узле кристаллической решетки, на его месте остается вакансия, которую называют дыркой. Дырка может быть представлена как положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Дырка может быть занята электроном, перешедшим из соседнего атома. Ушедший электрон, в свою очередь, образует новую дырку. Таким образом, дырки как бы перемещаются в кристаллической решетке в противоположном направлении по отношению к движению электронов.

В полупроводниках возникшая электрон-дырочная пара образует квазичастицу, которая называется экситоном. Экситон является бозоном. Экситон нестабилен: по истечении некоторого короткого времени (порядка десятков пикосекунд) экситоны исчезают: электрон занимает место дырки, излучая свет.

В определенных условиях в полупроводниках может сформироваться еще один вид частиц, являющийся объединением экситонов и фотонов, — экситонные поляритоны. Можно представить такой процесс образования и существования экситон-полярито

* Квазичастица — квант коллективного колебания или возмущения многочастичной системы, обладающий определенной энергией и, как правило, импульсом (например, фонон). В отличие от обычных частиц, которые существуют сами по себе, в том числе в пустом пространстве, квазичастицы не могут существовать вне среды, колебаниями которой они и являются.