Американським фізикам, схоже, вдалося вирішити проблему так званих важких електронів, що виникають у деяких сполуках металів. На їхню думку, вони являють собою комбіновані об'єкти із двох форм електрона, що перебувають у стані квантової заплутаності. Це відкриття допоможе людям нарешті створити високотемпературні надпровідники.

Варто відзначити, що так звані важкі електрони були відкриті вченими ще у 70-х роках минулого століття. Для того щоб зрозуміти, що це за електрони такі, потрібно згадати про те, яку будову мають метали на атомарному рівні. Вони складаються із кристалічної ґратки, у вузлах якої розташовуються іони, а між ними знаходяться так звані вільні електрони. Саме останні і визначають більшість фізичних властивостей металів (наприклад, їхню здатність проводити електричний струм або намагнічуватися).

Отож, логічно припустити, що, взаємодіючи один із одним і з іонами кристалічної ґратки, вільні електрони змінюють властивості металу у цілому. І для того щоб враховувати цю взаємодію, фізики ввели деяку кількісну характеристику - ефективну масу. Однак, коли вони стали розраховувати цю ефективну масу, то з'ясувалося, що у деяких металевих сполуках вона може у 1000 разів перевищувати масу вільного електрона (яка, як ми пам'ятаємо, дорівнює 9,1•10^-31 кг).

Саме так і народилося поняття "важкі електрони". Цікаво, що за весь той час, що пройшов з моменту їхнього відкриття, цей ефект ніхто з вчених не зміг пояснити. Правда, з'ясувалося, що ці електрони утворюються на f-орбіталях, тобто можуть виникати лише у сполуках важких металів.

Більше того, фізики з'ясували, що у ряду речовин, де спостерігалися важкі електрони, питома теплоємність і магнітна сприйнятливість (тобто здатність речовини намагнічуватися у магнітному полі) виявилися у кілька сотень разів більшими, ніж у звичайних металів. А інші подібні сполуки при низьких температурах переходили у надпровідний стан.

Отже, наявність цих важких електронів явно змінює властивість речовини, і причому досить радикально. Але чому це відбувається? Для того щоб відповісти на це питання, потрібно зрозуміти одну важливу річ: а, власне кажучи, чим є цей важкий електрон? Які його особливості та фундаментальні властивості? Довгий час вчені не могли отримати відповідей на ці питання. Однак віднедавна у даній області фізики почався явний прогрес.

На початку цього місяця група американських дослідників з університету Макмастера, Корнельського університету, Брукхейвенського відділення США по енергетиці та Лос-Аламоської національної лабораторії зробили спробу сфотографувати ці електрони. Вчені працювали зі сполукою урану, рутенію і кремнію - URu₂Si₂, що має досить зручну для вивчення кристалічну ґратку. Досліджуваний зразок охолоджувався спочатку до 55 Кельвінів (тобто до -218 ^oC), а потім і до температури фазового переходу - 17,5 ^oК. У роботі застосовувався спеціально розроблений для даного дослідження метод одержання спектроскопічних зображень скануючою тунельною мікроскопією (SI-STM).

В результаті дослідникам вдалося "розгледіти" як утворюються важкі електрони. За словами керівника дослідження, професора Сімуса Девіса з Корнельського університету та Брукхейвенської лабораторії, це виглядає так: "Уявіть собі, що ви летите над водоймою, де є стоячі хвилі, які поширюються вгору і вниз, але не поширюються на берег. Ви можете доторкнутися до води лише у найвищій точці, а до більш низьких - не зможете". Тобто важкі електрони у металі чимось нагадують коливні стоячі хвилі.

Фізики ж із Принстонського університету (США), проаналізувавши досягнення своїх колег, запропонували свою версію, що пояснює, що таке важкі електрони. На представлених фотографіях вони не лише "побачили", як при зниженні температури зростає маса цих частинок, але і з'ясували, що ці важкі електрони насправді є не частинками у буквальному значенні даного слова, а комбінованими об'єктами. Ці "надчастинки" насправді складаються із двох форм електрона, що перебувають у стані квантової заплутаності.

Нагадаємо, що квантовою заплутаністю у фізиці називається такий стан, коли властивості двох чи більше частинок виявляються взаємозалежними. Причому ця залежність зберігається і у тому випадку, якщо об'єкти знаходяться далеко один від одного. Отож, завдяки даній властивості, відповідно до законів квантової механіки, електрони можуть одночасно мати діаметрально протилежні властивості, у тому числі бути і "легкими", і "важкими".

Отже, зрівнявши експериментальні дані з теоретичними розрахунками, вчені прийшли до висновку, що важкі електрони є квантовими заплутаностями двох протилежних за властивостями електронів, які знаходяться навколо окремих атомів у кристалі. Більше того, на їхню думку, саме ступінь такої заплутаності є ключем до розуміння явища надпровідності. Фізики з'ясували, що коли електрони стають занадто важкими, то вони ніби "замерзають" у намагніченому стані і "застрягають" в атомах, позбавляючи матеріал здатності проводити струм. Однак створення заплутаності визначеного ступеня дозволяє електронам "стрибати" з атома на атом, у результаті чого матеріал перетворюється у надпровідник.

Дотепер була відома лише одна методика, використовуючи яку, можна домогтися цього "надпровідного" ступеня заплутаності - сильне зниження температури. Однак не виключено, що є й інші способи - наприклад, створення певних сплавів. Або ж цей ефект можна викликати, впливаючи на метал за допомогою якого-небудь електромагнітного випромінювання.

Зараз фізики з Принстона збираються випробувати найрізноманітніші методи, за допомогою яких теоретично можна викликати появу важких електронів. І якщо їхні зусилля виявляться успішними, то тоді розробка і впровадження високотемпературних надпровідників буде вже справою досить недалекого майбутнього...

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: pravda.ru