Новости науки и техники

Если бы можно было не дышать

Человек в среднем вдыхает 15 м³ воздуха в сутки. Для нормальной жизнедеятельности необходим воздух без вредных примесей. Так, например, по данным Всемирной организации здравоохранения , содержащиеся в воздухе микрочастицы обуславливают почти 9% смертей от рака легких, 5% смертей от сердечно-сосудистой патологии и являются причиной около 1% летальных случаев от инфекционных заболеваний дыхательных путей. Далее...

микробиология и химия воздуха

вигнеровский кристалл

ВИГНЕРОВСКИЙ КРИСТАЛЛ - упорядоченное состояние электронов, находящихся в поле ("желе") положительного, равномерно распределённого заряда. В. к. образуется при низких темп-pax T, если ср. расстояние между электронами значительно больше, чем Бора радиус , т. е. , где п - концентрация электронов, т - их масса, е - заряд. Ю. Вигнер (E. Wigner, 1934) показал, что миним. энергией при обладает состояние, в к-ром электроны локализованы и совершают малые колебания вблизи положений равновесия - узлов вигнеровской решётки. Минимум энергии обеспечивается уменьшением энергии кулоновского отталкивания электронов при образовании ими решётки. Кинетич. энергия электронов (равная при T=0 К энергии их нулевых колебаний вблизи положения равновесия) меньше потенциальной энергии на фактор

При увеличении плотности электронов потенц. и кинетич. энергии становятся сравнимыми, и при устойчивым состоянием является не кристалл, а однородная "электронная жидкость". "Плавление" В. к. происходит также при повышении темп-ры. В. к. обладает обычными свойствами кристаллич. тел; в нём, в частности, отличен от 0 модуль сдвига и возможно распространение сдвиговых волн.

Энергия В. к. не изменяется при смещении всей электронной решётки относительно однородного положит. фона. Поэтому во внеш. электрич. поле E решётка электронов движется как целое относительно фона. Такой механизм электропроводности, наз. фрелиховской проводимостью, характерен для всех структур, в к-рых образуются волны зарядовой плотности, частным случаем к-рых является В. к.

Если положит. фон не является однородным, то происходит "зацепление" (пиннинг) электронной решётки за неоднородности и фрелиховская проводимость возможна лишь, если электрич. поле E превосходит критич. поле E_кр, к-рое зависит от энергии зацепления.

Если положит. фон обладает периодичностью, то в решётке В. к. возникает периодич. модуляция плотности электронов. В зависимости от того, выражается ли отношение периодов электронной решётки и фона рациональным числом или иррациональным, возникает соизмеримая или несоизмеримая структура. Равновесным состояниям соответствуют минимумы энергии, разделённые потенц. барьерами.

Реализация В. к. в трёхмерных твёрдых телах затруднительна из-за наличия примесей, компенсирующих объёмный заряд электронов. Иначе обстоит дело в двумерных системах, в структурах металл-диэлектрик - полупроводник (МДП-структурах ),для электронов над поверхностью жидкого гелия и в др. системах, где положит. и отрицат. заряды разнесены в пространстве на расстояние, значительно превышающее ср. расстояние d между зарядами каждого слоя (рис. 1). Этим обеспечивается однородность фона.

Рис. 1. Схема эксперимента по наблюдению вигнеровского кристалла для электронов над поверхностью жидкого Не.

Экспериментально В. к. наблюдался впервые Граймсом (С. Grimes) и Адамсом (G. Adams) (США) для электронов над жидким Не. Электрич. поле, создаваемое электродом А, несущим положит. заряд плотностью q, удерживает над поверхностью Не электроны, плотность к-рых . При низких темп-pax электроны располагаются в узлах треугольной решётки с периодом 2*10^-5 см, что во много раз меньше толщины слоя Не~1 мм. Из-за небольшой деформации поверхности под каждым электроном при их движении в касательном переменном эл--магн. поле возбуждаются капиллярные волны частотой ш. Возникновение упорядоченного состояния приводит к резонансному поглощению эл--магн. излучения на частотах, при к-рых длины капиллярных волн кратны периоду вигнеровской решётки (рис. 2).

Рис. 2. Резонансное поглощение R электромагнитных волн из-за образования вигнеровского кристалла.

"Холодное" плавление В. к. в этой системе неосуществимо, т. к. при повышении плотности электронов заряж. поверхность Не становится неустойчивой. Плавление двумерного В. к. при повышении темп-ры является примером топологического фазового перехода. Он происходит из-за того, что при высоких темп-рах становится выгодным образование дислокаций в электронной решётке, что приводит к её разрушению. Такой механизм плавления подтверждается как моделированием на ЭВМ, так и экспериментально измеренными значениями темп-ры плавления и зависимости поперечной жёсткости от темп-ры.

В др. двумерных системах, напр. МДП-структурах, гетеропереходах ,однозначного доказательства существования В. к. пока не получено (см. Инверсионный слой). Образование в них упорядоченного состояния электронов привлекалось для объяснения квантового Холла эффекта.

Лит.: Wignеr E., On the interaction of electrons in metals, "Phys. Rev.", 1934, v. 46, p. 1002; Пайнс Д., Элементарные возбуждения в твердых телах, пер. с англ., M., 1965: Grimes C. С., Adams G., Evidence for a liquid-to-crystal phase transition in a classical, two-dimensional sheet of electrons, "Phys. Rev. Lett.", 1979, v. 42, p. 795; Эдельман В. С., Левитирующие электроны, "УФН", 1980, т. 130, с. 675.

Д. E. Хмельницкий, В. С. Эделъман.

<< Предметный указатель >>