квантовый кристалл

КВАНТОВЫЙ КРИСТАЛЛ - кристалл, в к-ром амплитуда нулевых колебаний а₀частиц, образующих кристаллич. решётку, сравнима с межатомным расстоянием а, что приводит к заметной вероятности когерентных туннельных перемещений и перестановок частиц в осн. состоянии. Степень "квантовости" кристалла можно характеризовать по значению т. н. п а р а м е т р а д е Б у р а:

L ~ (h/a)/(mE)^1/2 ~ (a₀/а)², (1)

величина к-рого растёт с уменьшением массы т частиц и энергии их взаимодействия E. Наиб. значения L достигает для кристаллов ³Не (L~0,5); ⁴Не (0,4); Н₂(0,3), Ne(0,l). В обычных кристаллах частицы, образующие решётку, при низких темп-pax локализованы, их движение сводится к малым колебаниям около положений равновесия (узлов кристаллич. решётки). В К. к. большая амплитуда нулевых колебаний приводит к квантовой делокализации частиц: частицы могут совершать когерентные подбарьерные переходы (см. Туннельный эффект) на соседние узлы кристаллич. решётки и меняться местами. Вероятность туннелирования частиц w экспоненциально растёт с увеличением L: w ~ ехр (-1/L). В результате в К. к. исчезает возможность отождествления между частицами и узлами решётки и начинают проявляться эффекты квантовомеханич. тождественности частиц, в т. ч. обменное взаимодействие .Кроме того, возникают большие корреляц. эффекты, связанные с возможными когерентными перестановками большого числа частиц в осн. состоянии. Так, в твёрдом ³Не антиферромагн. упорядочение кристалла при низких темп-pax (см. Гелий твёрдый) во многом определяется 3- и 4-частичными обменными процессами (³Не - уникальный пример ядерного магнетика - электронный спин атомов ³Не равен 0; в обычных кристаллах обменное взаимодействие, как правило, является двухчастичным). Необходимость учёта сильных многочастичных корреляций усложняет расчёты параметров осн. состояния К. к. Отсутствие отождествления частиц и узлов решётки означает также, что в К. к. снимается требование равенства в осн. состоянии числа частиц и узлов решётки, т. е. в К. к. могут существовать нулевые вакансии. Равновесная концентрация вакансий в К. к. при T = 0 К может оказаться отличной от 0 (в обычных кристаллах равновесная концентрация вакансий при уменьшении Т экспоненциально '' 0). Наличие нулевых вакансий могло бы привести к сверхтекучести К. к. и к возможности бездиссипативного течения кристалла при неподвижной кристаллич. решётке. Т. к. частицы К. к. тождественны, то непосредственно наблюдать квантовую делокализацию частиц в осн. состоянии трудно. Положение меняется, если в К. к. имеются точечные дефекты (вакансии, примесные атомы, междоузельные атомы, перегибы на дислокациях и пр.). В этом случае делокализация частиц К. к. означает также и делокализацию точечных дефектов, превращающихся в своеобразные квазичастицы - дефектоны ,практически свободно двигающиеся через кристалл. Свойства дефектонов аналогичны свойствам др. квазичастиц в твёрдых телах, а ширина энергетической зоны дефектонов D~wh²/mа² (см. также Вакансион, Примесон). Зонное движение дефектовов в К. к. проявляется в квантовой диффузии и в особенностях внутреннего трения. Делокализация поверхностных дефектов К. к. обусловливает возможность распространения вдоль границы раздела фаз квантовая жидкость - К. к. кристаллизационных волн, а также существование специфич. квантового атомно-шероховатого состояния поверхности раздела. Кроме перечисленных выше кристаллов к К. к. иногда относят также растворы водорода в тяжёлых металлах. Такие кристаллы являются квантовыми по отношению к лёгким частицам и классическими по отношению к тяжёлым атомам. Кроме того, к К. к. относят гипотетич. кристаллы, состоящие не из атомов или молекул, а из электронов, экситонов и т. п. (см. Вигнеровский кристалл). Лит. см. при статьях Квантовая диффузия. Гелий твёрдый. А. Э. Мейерович.

   <<      Предметный указатель      >>