Квантовая теория конденсированных сред

«Ты никогда не решишь проблему, если будешь думать так же, как те, кто ее создал.»
Альберт Эйнштейн

Казалось бы, кристалл, содержащий миллионы атомов, исследовать в миллионы раз труднее, чем отдельный атом. Но на самом деле задача не так уж и сложна, если посмотреть на нее с другой точки зрения.

К физике конденсированных сред относят излучение кристаллов, магнетиков, жидких кристаллов, сверхтекучих жидкостей — упорядоченных сред и аморфных тел, полимеров, стекол — неупорядоченных сред.

Квантовая теория позволила разгадать многие загадки в поведении твердых тел, и прежде всего кристаллов.

Кристалл и атом — все едино

Структура кристалла — это кристаллическая решетка, внутри которой через равные промежутки находятся одни и те же атомы, ионы или молекулы. Кристалл обладает свойством периодичности по любому направлению. Потому-то при исследовании кристаллов помогает в первую очередь именно упорядоченность, а не свойства отдельных его составляющих. Вместе с тем между упорядоченными атомами кристаллической решетки электроны с верхних уровней свободно перебегают от одного атома к другому, они принадлежат всему кристаллу. Движение таких электронов определяется уже не столько свойствами отдельных атомов, сколько свойствами кристаллической решетки.

Таким образом, кристалл можно рассматривать как совокупность двух составляющих. Первая из них — сама кристаллическая решетка, лишенная валентных электронов, а потому положительно заряженная. Вторая — совокупность электронов в периодическом электрическом поле положительно заряженной решетки.

Любое воздействие на кристалл приводит к тому, что в одной из составляющих подсистем, а то и сразу в обеих начнет распространяться волна, подобно распространению волны в воде от брошенного камня. А значит, достаточно исследовать саму волну в целом, а не ее составляющие.

Согласно квантовой теории, каждой волне соответствует частица — квант данной волны. В теории твердого тела она называется квазичастицей. Квазичастицам разрешено иметь характеристики, в частности энергию, не любых значений, а лишь некоторых, определяемых конкретной структурой кристалла. Типов квазичастиц существует довольно много. Кванты упругих колебаний кристаллической решетки, так называемые фононы, отвечают, в частности, за распространение в кристалле звука и тепла.

Из этих рассуждений следует вывод, что квантовая теория—это универсальный инструмент, позволяющий проводить качественное и количественное исследование вещества на любом уровне—от атомов до сплошных сред.

От мазера до лазера

Достоинство квантовой теории заключается не только в том, что с ее помощью удалось понять необъяснимые с точки зрения классической теории факты. Благодаря ей перед учеными открылись новые горизонты, о каких раньше они и не мечтали. Одним из открытий, основанных на теории конденсированных сред, стало создание квантовых генераторов, совершивших переворот не только в науке и технике, но и во всей окружающей нас действительности.

В 1939 году советский физик Валентин Фабрикант заметил, что при определенных условиях падающее на вещество электромагнитное излучение усиливается. Вспомним, что электроны и в отдельных атомах или молекулах, и в сплошных средах могут находиться на разных энергетических уровнях. Если на такую систему падает электромагнитная волна с определенной частотой, то в соответствии с постулатами Бора фотон может отдать свою энергию электрону, перебросив его с одного энергетического уровня на более высокий. Вместе с тем, как показал Эйнштейн, фотон способен заставить электрон, находящийся на более высоком энергетическом уровне, опуститься на более низкий с излучением фотона той же частоты. В результате вместо одного фотона появляются два одинаковых. В таких случаях говорят, что произошло вынужденное излучение. В обычных условиях термодинамического равновесия на более низком энергетическом уровне электронов больше, чем на верхнем. Если же по каким-то причинам электронов на верхнем уровне больше, излучение определенной частоты усиливается. Это принцип усиления электромагнитного излучения.

Оставалось добиться такого состояния, когда на верхнем уровне окажется больше электронов, чем на нижнем.

В 1954 году советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров и независимо от них американец Чарлз Таунс создали приборы, генерирующие и усиливающие радиоволны микроволнового диапазона на молекулах аммиака, — так называемые мазеры. Электроны в них перемещало на верхний уровень электрическое поле сложной конфигурации. Это открытие знаменовало собой зарождение квантовой электроники.

А несколько ранее, в 1952 году, французский теоретик Альфред Кастлер предложил метод оптической накачки, что явилось в дальнейшем основой для создания генераторов и усилителей когерентного оптического излучения — лазеров, прочно вошедших в нашу жизнь.

Квантовая теория позволяет прогнозировать поведение тел при очень низких температурах. В первую очередь это относится к сверхпроводимости и сверхтекучести. При очень низких температурах миллионы атомов собираются в своеобразный «шар», который ведет себя как одна частица. Данное явление получило название бозе-эйнштейновской конденсации и вошло в научный обиход благодаря все той же квантовой механике — мощнейшему инструменту для предсказания и толкования новых эффектов.