Квантовые свойства макроскопических объектов

Квантоваяэлектроника.

Квантоваяэлектроника– областьэлектроники,охватывающаяизучение иразработкуметодов и средствусиления игенерацииэлектромагнитныхколебаний наоснове эффектавынужденногоизлученияатомов, молекули твердых тел.Часто под термином«Квантоваяэлектроника»понимают совокупностьквантовыхэлектронныхприборов иустройств —молекулярныхгенераторови квантовыхусилителей,оптическихквантовыхгенераторов(лазеров) и др.,— в которыхиспользуетсявынужденноеизлучение. ККвантовойэлектроникеотносят такжевопросы нелинейноговзаимодействиямощного лазерногоизлучения свеществом иприменениетакого взаимодействияв устройствахпреобразованиячастоты лазерногоизлучения.Наиболее крупнымприкладнымразделом квантовойэлектроникиявляется лазернаятехника, связаннаяс созданиемлазеров различныхтипов, исследованиемсвойств лазерногоизучения и егоиспользованиемдля решенияразличныхпрактических задач.

Физическиеосновы КЭ.

Вотличие, например,от вакуумнойэлектроники,использующейдля преобразованияэлектромагнитнойэнергии потокисвободныхэлектронов,в КЭ имеют делосо связаннымиэлектронами,входящими всостав атомныхсистем: атомов,молекул, кристаллов.Согласно законамквантовоймеханики, электроныв атоме и, следовательно,атомная системав целом могутнаходитьсятолько в определённыхэнергетическихсостояниях,характеризуемыхдискретнымрядом значенийэнергии ₀,₁,₂,... , называемыхэнергетическимиуровнями. Изменениевнутреннейэнергии атомнойсистемы сопровождаетсяквантовымпереходомэлектрона содного энергетическогоуровня на другой.При этом системаизлучает илипоглощаетпорцию электромагнитнойэнергии — квант— с частотой _mnи энергией h_mn=_m- _n, где h – постояннаяПланка, _mи _n- конечный иначальныйэнергетическиеуровни. Излучениеквантов (соответствующеепереходамэлектроновс верхнихэнергетическихуровней нанижние) можетпроисходитькак самопроизвольно— в отсутствиевнешнего поля(спонтанноеизлучение), таки вынужденно— в присутствииполя (вынужденноеизлучение),поглощениеже квантов(соответствующиепереходам снижних уровнейна верхние)всегда являетсяпроцессомвынужденным.Существенно,что в результатевынужденныхизлучат. переходов первичнаяэлектромагнитнаяволна усиливаетсяза счёт энергиикванта вынужденногоизлучения,тождественныхэтой первичнойволен по частоте,фазе, направлениюраспространенияи характеруполяризации.Именно этаособенностьвынужденногоизлучения имеетосновополагающеезначение в КЭ,позволяя использоватьтакое излучениедля усиленияи генерацииэлектромагнитныхволн. Когерентноеусилениеэлектромагнитнойволны возможнотолько в томслучае, есличисло возбужденныхэлектронов(населенностьболее высокихэнергетическихуровней) превышаетчисло невозбужденных(населённостьболее низкихуровней). В веществе,находящемсяв состояниитермодинамическогоравновесие,это условиене выполняется:в соответствиис Больцманараспределениемнаселенностьверхних энергетическихуровней всегдаменьше чемнижних и, следовательно,поглощениепреобладаетнад вынужденнымизлучением,в результатечего проходящаячерез веществопервичная волнаослабляется.Для того чтобывещество усиливалораспространяющуюсяв нём электромагнитнуюволну, необходимоперевести егов возбужденноесостояние, вкотором хотябы для двухуровней населенностьверхнего оказаласьвыше , чем нижнего.Такое состояниеназываетсясостояниемс инверсиейнаселённостив веществе иявляетсяпредположенныйсовременнымиучёными Н.Г.Басовым и А. М.Прохоровымв 1955 «Метод трёхуровней». Сущностьэтого методасостоит в том,что электроныв энергетическомспектре которыхимеется 3 энергетическихуровня ₁,₂,₃,переводятсяв возбужденноесостояние поддействиеммощного вспомогательногоизлучения —накачки. Придостаточнойинтенсивностинакачки происходитпереход электроновс уровня ₁ на ₃,до так называемогонасыщения,когда населённостьэтих уровнейстановитсяодинаковой.При этом дляодной парыуровней ₁,₂ или ₂,₃будет иметьместо инверсиянаселённостей.Существуюти другие методысоздания инверсиинаселённости:сортировкамолекул вмолекулярныхи атомных пучкахв неоднородномэлектрическомили магнитномполе; инжекциянеравновесныхносителейзаряда вэлектронно-дырочныйпереход; осуществлениенеупругихсоударениеатомов в смесигазов; химическоевозбуждениеи другие.

Генерацияэлектромагнитныхволн в приборахКЭ осуществляетсяс помощью активнойсреды, помещённойв резонатор,в частностидля лазеров— оптическихрезонаторов,посредствомкоторого реализуетсянеобходимаядля генерацииположительнаяобратная связь.В активнойсреде неизбежнопроисходятспонтанныепереходы электроновс верхнихэнергетическихуровней нанижние, т.е.происходитизлучениеквантов. Еслирезонаторнастроен начастоту этогоизлучения, тооно, многократноотражаясь отстенок резонатора,успевает вызватьиндуцированноеизлучение ещёнесколькихчастиц, которые,в свою очередь,воздействуяна активнуюсреду, вызываетновые актыиндуцированногоизлучения. Врезультатесобственноеспонтанноеизлучениеактивной средыусиливаетсяза счет вынужденныхпереходов. Приэтом, однако,энергия излученияв резонаторене может нарастатьбеспредельно:каждый актизлучениясопровождаетсяпереходомчастицы наболее низкийэнергетическийуровень, чтоприводит квыравниваниюнаселенностейи, следовательно,к равенствупоглощенияи вынужденногоизлучения(эффект насыщения).

Историческаясправка.

КЭсформироваласьи развиваласькак самостоятельнаяобласть наукии техники вовотрой половинеХХ века. ИсторияКЭ неразрывносвязана срадиоспектроскопией,исследующей свойства веществас помощьюизбирательного(резонансного)поглощениярадиоволн СВЧдиапазона.Именно в радиоспектроскопиизародиласьидея о том, чтопутём созданияинверсиинаселённостейэнергетическихуровней в средеможно добитьсяусиления радиоволн.Если же какая-либосистема усиливаетрадиоизлучение,то при соответствующейобратной связиона может игенерироватьэто излучение.Первый приборКЭ — молекулярныйгенератор нааммиаке, созданныйв 1955 одновременнов СССР (Басови Прохоров) иСША (Ч. Таунс идр.), по существу,являетсярадиоспектроскопом,который, однако,устроен так,что молекулыаммиака непоглощают, аизлучают радиоволны.В конце 50-х гг.В СССР и СШАмалошумящиепарамагнитныеквантовыеусилители, вкоторых активнойсредой служилипарамагнитныекристаллы,находящиесяпри температурежидкого гелия(4,2 К) и возбуждаемыевспомогательнымисточникомСВЧ излучения.В эти же годышироко исследоваласьвозможностьсоздания приборовКЭ оптическогодиапазона длинволн. В 1960 первыйтакой прибор— рубиновыйлазер — созданв США. Кристаллрубина возбуждаетсяимпульснойксеноновойлампой. В последующиегоды лазерына диэлектрическихкристаллах,возбуждаемыевнешним источникомоптическойнакачки, получилиширокое распространениеи составляютодну из важнейшихразновидностейлазеров. Усилениев таких лазерахосуществляетсяза счет вынужденныхпереходах вэлектронныхоболочкахионов-активаторов(хром в кристаллахрубина, неодимв стекле иалюминиевомгранате). В 1960создан (США) первый газовыйлазер на смесиатомов неонаи гелия, возбуждаемыхэлектрическимразрядом в газенизкого давления.Маломощныегелий-неоновыеи мощные лазерына CO₂стали наиболеераспространённымипредставителямисемействагазовых лазеров, охватывающихширокий спектральныйдиапазон — отглубокогоультра-фиолетового(0,12 мкм) до инфракрасного,смыкающегосяс субмиллиметровым(1 нм). В 1959 Басовс сотрудниками теоретическиобосноваливозможностьсоздания полупроводниковоголазера; первые такие лазерысозданы в 1962—63(СССР и США).

ПрименениеКЭ.

ПриборыКЭ имеют рядхарактерныхособенностей,отличающихих от электронныхприборов другихтипов. ТакмолекулярныегенераторыСВЧ диапазонаобладаютисключительновысокой стабильностьючастоты колебаний~10^-13(например, часына основе такогогенератора«уйдут» на 3секунды за 1млн. Лет). Квантовыепарамагнитныеусилители СВЧ имеют рекорднонизкий уровеньсобственныхшумов (не св.10 К) по сравнениюс усилителямидругих типови поэтому применяютсяв устройствахрадиоастрономии,системах дальнейкосмическойсвязи. На основелазеров возниклиновые областинауки и техники:нелинейнаяоптика, лазернаяхимия, лазернаятехнология,голография,лазерная медицина,лазернаяинтерферометрияи др. Мощныйнаправленныйлазерный пучок,сфокусированныйна поверхностилюбого вещества,способен расплавитьи испарить его.Это явлениележит в основемногих технологическихпримененийлазеров. Лазерныйлуч служитнезаменимыминструментоминтерферометрическихизмерений свысокой точностью,примерно сравнимойс размерамиатомов и молекул.Способностьактивной средынекоторыхлазеров накапливатьэнергию возбужденияи затем излучатьеё в виде короткого(^10-7—10^-9)импульса снедостижимойпрежде мощностью(10⁹—10¹⁰Вт)легла в основулазерной импульснойлокации идальнометрии.Чрезвычайномалая расходимостьлазерногоизлучения(примерно на4 порядка меньше,чем у СВЧ излученияпри сравнимыхдиаметрахантенных систем)делает возможнымего передачуна огромныерасстояния,недостижимыедля радиолокации.ИнжекционныеПП лазеры,непосредственнопреобразующиеэлектрическийток в когерентноеоптическоеизлучение,являются самымиминиатюрнымиприборами КЭ,на основе которыхразвиваютсятакие важныенаправленияэлектроники,как оптоэлектроника,системы записии считыванияинформации.Лазеры активновторглись втехнологиюсовременноймикроэлектроники(процессы подгонкирезисторов,контроля микросхем,скрайбированияи отжига кремниевыхпластин, фотолитографиии т. д.). Лазерыполучили применениеи в военномделе. Производствоприборов КЭв промышленноразвитых странахсформировалосьв крупную отрасльпромышленности.

Электрическоестроение молекул.

Химикиназывают молекулоймельчайшегопредставителявещества. Физикибольшей частьюпользуютсяэтим словомлишь в том случае,если этот мельчайшийпредставительреально существуеткак отдельноемаленькое тело.

Существуетли молекулаповареннойсоли? Повареннаясоль (NaCl)— это хлористыйнатрий. Молекуласостоит изодного атоманатрия и одногоатома хлора.Однако этотответ лишьформальносправедлив.На самом жеделе ни в кристаликеповареннойсоли, ни в растворесоли в воде, нав парах хлористогонатрия мы необнаруживаемпары атомов,которая велабы себя какодно целое. Вкристаллекаждый атомнатрия окруженшестью хлорнымисоседями. Всеэти соседиравноправны,и никак нельзясказать, какойиз них «принадлежит»данному атомунатрия.

Растворимповареннуюсоль в воде.Окажется, чтораствор —превосходныйпроводник тока.Строгими опытамиможно доказать,что электрическийток пре5дставляетсобой потокотрицательнозаряженныхатомов хлора,движущихсяв одну сторону,и поток положительнозаряженныхатомов натрия,движущихсяв противоположную.Так что прирастворенииатомы натрияи хлора такжене образуюткрепко связаннуюпару атомов.

Послетого как модельатома установлена,становитьсяясным, что анионхлора представляетсобой атомхлора с «лишним»электроном— напротив,катиону натрияне достаётодного электрона.

Отсюдаможно сделатьвывод, что итвердое телосостоит изионов, а не изатомов. Этодоказываетсямногими опытами,на описаниикоторых мы небудем останавливаться.

Ну, апары хлористогонатрия? И в парахмы не находиммолекул. Пархлористогонатрия состоитиз ионов илииз различныхочень неустойчивыхгрупп ионов.О молекулахионных соединенийможно говоритьлишь в химическомсмысле этогослова.

Ионныесоединенияобязательнорастворяютсяв воде. Такиерастворы,классическимипредставителямикоторых являютсяпростые солиметаллов вродехлористогонатрия, Обладаютхорошей проводимостьюи поэтому называютсясильнымиэлектролитами.

Классмолекулярныхкристалловвесьма обширен.В кристаллеуглекислогогаза (CO₂),атом углеродаимеет оченьблизких углеродныхсоседей. И вовсех остальныхслучаях, изучаяструктурумолекулярногокристалла, мысразу же видим,сто имеетсявозможностьразбить кристаллна тесно расположенныегруппы атомов.

Разони теснорасположены,значит и связанныбольшими силами.Так оно и есть.Грубо говоря,силы, связывающиеэти атомы,принадлежащиеодной молекуле,в сто раз большесил, действующихмежду атомамисоседних молекул.

В чемже состоитвнутримолекулярнаясвязь? Достаточноясно, что представлениямио притяженииэлектрическизаряженныхотрицательныхи положительныхионов обойтисьне удастся.Ведь существуютмолекулы кислорода,азота, водорода,построенныеиз одинаковыхатомов. Невозможнопредположить,что один теряет,а другой приобретаетэлектрон. Скакой статиэлектрон долженпредпочестьпребываниеоколо одногоиз двух одинаковыхатомов.

Объяснениесущностивнутримолекулярнойсвязи пришлолишь вместес квантовоймеханикой.Итак, энергиялюбой системыквантуется,на одном уровнеэнергии могутнаходитьсядва электронас противоположнонаправленными«спинами. Изосновных гипотезквантовоймеханики вытекаетодно интересноеследствие.Оказывается(это же не гипотеза,а строгийматематическийвывод, которыймы не приводимиз-за его сложности),что самое низкоезначение энергии,которое можетпринять электрон,определяетсяразмерамиобласти, внутрикоторой ондвижется. Чембольше этиразмеры, темэнергия этого «нулевогоуровня» ниже.

Теперьпредставимсебе, что дваатома водородаприближаютсядруг к другу.Если они объединяютсяв одну систему,то «квартира»для каждогоэлектронастанет примернов два раза больше.В одной и тойже квартиремогут мирноужиться дваэлектрона спротивоположнонаправленнымиспинами. Следовательно,такое сожительствовыгодно. Областьсуществованиядля обоих электроноввозросла. Значитсуммарнаяэнергия системыпосле объединениядвух атомовв одно целоепонизилась.Ну, а то, что любаясистема — еслиесть на товозможность— стремитсяперейти в состояниес наинизшейэнергией, нампревосходноизвестно. Поэтой самойпричине предоставленныйсам себе шарскатываетсяс горки.

Итак,образованиехимическойсвязи означаетобобществлениеэлектронов.Имеется некотороеколичествоэлектронов(их называютвнутренними),которые вращаютсяоколо ядератомов, но некоторыеэлектроны (ихназывают внешними)охватываютв своем движениипо крайней мерепару ближайшихатомов, а то ипутешествуютпо всем атомаммолекулы.

Вещество,построенноеиз молекул,можно узнатьпо его электрическимсвойствам.Раствор такоговещества токане проводит.Молекулы нераспадаютсяна части, а целаямолекула электрическинейтральна.В жидкостяхи парах молекулысохраняют своюструктуру —вся группаатомов движетсякак одно целое,перемещаетсяпоступательно,вращается.Атомы, принадлежащиеодной молекуле,могут лишьколебатьсяоколо своихположенийравновесия.

Нейтральнаямолекула ненесет на себеэлектрическогозаряда, но нельзяторопитьсяс выводом отом, что такаямолекула несоздает электрическогополя. Если молекуланесимметрична,то центры тяжестиеё положительногои отрицательногозарядов навернякасовпадать небудут. Интуитивноясно, что совпадениецентров тяжестизарядов обоихзнаков будетиметь местов таких молекулахкак кислородили азот, состоящихиз двух одинаковыхатомов. Такженетрудно проверить,что в такоймолекуле, какнапример, молекулаугарного газаСО, эти центрымогут бытьсдвинуты друготносительнодруга. Еслитакое смещениеесть, то промолекулу говорят:она обладаетдипольныммоментом.

Терминимеет следующеепроисхождение:«дипольная»молекула ведетсебя как системадвух точечныхзарядов (однаточка — центртяжести отрицательных,а другая — центртяжести положительныхзарядов). Дипольхарактеризуетсявеличинойзаряда и «плечом»диполя, т.е.расстояниеммежду центрами.

Несимметричнаямолекула обладаетэлектрическимдипольныммоментом, аналичие постоянного(или, как говорят,жесткого) дипольногомомента безтруда доказываетсяна опыте.

12

План

1. Сверхпроводимость.

2. Квантоваяэлектроника.

3. Электрическоестроение молекул.

Сверхпроводимость.

Созданиемакроскопическойтеории сверхпроводимостиотносится к1957 — 1958 гг.

Объяснениемеханизма сверхпроводимостиневозможнов рамках классическихконцепций, такчто оно являетсятриумфом квантовойтеории. Сущностьдела состоитв том, что междуэлектронамидействуют силыкулоновскогоотталкивания,тем не менеев твердых телахвозникают наярду с нимитакже и силыпритяжениямежду электронами,обусловленныетем, что электронымогут обмениватьсяфононами, т. е.квантами упругихколебаний тела.Это притяжениеприводит кобразованиювблизи энергетическойповерхностиФерми связанныхпар электронов.

Квантовыезакономерностиприводят ктому, что этипары образуюттак называемыйБозе-конденсат,обладающийсвойствамисверхтекучести.Поскольку этипары электроновобладаютэлектрическимзарядом, то ихсверхтекучестьравносильнасверхпроводимости.

Такв чем же заключаетсяявление сверхпроводимости,которое смоглаполностьюобъяснить лишьквантоваятеория.

Сопротивлениевсех чистых(лишённых примесей)металлов приприближениик абсолютномунулю температурыстремится кнулю, но в некоторыхметаллах изменениеэто происходитне плавно: принекоторойопределённойтемпературесопротивлениевнезапно (скачком)падает до нуляили, во всякомслучае, до неизмеримомалой величины.Резкость этогоскачка характеризуетсятем, что в некоторыхметаллах онпроисходитпри измененииТвсеголишь на 0,001.

Температураскачка называетсякритическойтемпературой,а состояниеметалла нижеэтой температуры,характеризуемоеотсутствиемсопротивленияпостоянномутоку, называетсясверхпроводящимсостоянием.