Стремительная миниатюризация объектов исследований и разработок делает актуальным изучение явления незатухающих токов в мезоскопических кольцах. Результаты исследования, которое проводится в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), могут быть использованы при создании систем мезо- и наноразмеров.
Мезоскопическое кольцо - кольцо размером порядка микрометра, изготовленное из нормального (не сверх-) проводника. Поместим этот объект в магнитное поле таким образом, чтобы оно проходило сквозь кольцо, но чтобы в самом металле, где могут двигаться электроны, магнитного поля не было. В этом случае при низкой температуре в кольце самопроизвольно возникает незатухающий ток.
Будь электроны классическими объектами - "шариками с зарядом", никакой ток в такой системе не потек бы, ведь ни электрического, ни магнитного поля внутри металла нет. Но поведение электронов описывается квантовой механикой. Существует эффект Ааронова-Бома, благодаря которому электрон интерферирует сам с собой, обойдя это кольцо. В связи с этим и возникает такое явление - незатухающий ток. Он зависит от пронизывающего кольцо магнитного потока и является его периодической функцией, период которой - квант магнитного потока.
Появление незатухающих токов в мезоскопических кольцах - чисто квантовое явление. Предсказано оно было еще в 30-е годы, но серьезный интерес к нему экспериментаторы проявили в 80-е, а в 90-х такие системы уже научились делать "в железе". Вспоминает руководитель отдела высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН доктор физико-математических наук Владимир Пудалов:
"Идея о том, что могут быть незатухающие токи в колечках из нормального металла, в которых бежит электронная волна, высказывалась еще в 60-е годы в Институте ядерной физики в Ленинграде. Кольцо должно быть такого маленького размера, что фаза волны не сбивается. Электрон не меняет фазу и не теряет энергию. Более того, в те же годы в Институте физических проблем в Москве провели эксперимент - сумели напылить колечко, под микроскопом наложили контакты, поместили под постоянное магнитное поле и обнаружили квантование сопротивления в зависимости от магнитного поля, согласующееся с незатухающими токами".
Явлением незатухающих токов заинтересовались не только экспериментаторы, но и физики-теоретики. Один из инструментов теоретика - построение модели. Простейшая модель, которую можно себе представить, это невзаимодействующие электроны, сидящие в этом кусочке металла. Такие модели можно обсчитать, и это уже сделано. Но в реальности, что и подтверждают эксперименты, система гораздо сложнее. Самое простое возможное объяснение этого - в кольце есть беспорядок, обусловленный примесями в металле. Незатухающий ток изменяется от образца к образцу. Он бездиссипативный, то есть тепло не выделяется, и вечный двигатель на этом построить нельзя. Ток постоянный - это свойство основного состояния системы, но в разных образцах - разный. Параметры типичного тока (это характерный ток, который может течь в колечке с конкретными параметрами) были вычислены еще в 80-е годы. Но в экспериментах наблюдаемый эффект оказался на два порядка больше расчетного (хотя обычно бывает наоборот). И даже направление тока в кольце оказалось противоположным тому, что предсказывает теория. Эксперименты показали, что простейшая модель не согласуется с реальностью. Причиной может служить межэлектронное взаимодействие в кольце.
Говорит сотрудник Отделения теоретической физики ФИАН Андрей Семенов: "Общий эффект электрон-электронного взаимодействия состоит вот в чем. Когда электрон движется, его волновая функция за счет этого взаимодействия приобретает дополнительную фазу. Если же траектория электрона достаточно велика, он забывает фазу, которая была изначально, и уже не может интерферировать. А незатухающий ток в кольце полностью зависит от интерференции. Межэлектронные взаимодействия, таким образом, существенно усложняют картину".
Квантовая механика описывает амплитуду вероятности перехода из одной точки в другую. Если система классическая, она движется по одной траектории, определяемой классическими уравнениями движения. Если же система квантовая, она движется по всем траекториям сразу.
"Мы строим модель, в которой можно грамотно учесть электрон-электронные взаимодействия, понять все связанные с ним эффекты... Что ключевое в этой системе? Беспорядок, взаимодействие или еще что-то? Можно выделить одно физическое явление - влияние межэлектронного взаимодействия на электрон. Вот этим я и занимаюсь - рассматриваю систему, в которой пока для простоты выделяем частицу на кольце. Мы наблюдаем только за одним электроном. А все окружающие - создают поле, которое на него действует. Он движется и чувствует поле, создаваемое остальными электронами. В такой модели можно учитывать, как это поле влияет на его движение и его интерференцию с самим собой. Это физическая модель, которую можно обсчитать и привязать к реальности", - рассказывает Андрей Семенов по итогам своего выступления на одном из фиановских семинаров.
Цель исследования - сформулировать новую постановку задачи для экспериментаторов. Ведь без теории, корректно описывающей то, что видит экспериментатор, практическое использование явления невозможно.
АНИ «ФИАН-информ»
