1999 № 01

Нобелевские премии 1998 года

Лауреаты Нобелевской премии по химии 1998 года – Вальтер Кон и Джон Попл.

Нобелевская премия по химии за 1998 год присуждена двум ученым, работающим в США, – Вальтеру Кону и Джону Поплу, как основателям нового направления – квантовой химии, революционизировавшего эту древнюю науку.

Еще в начале XX века, когда появилась квантовая теория, стало ясно, что в принципе она позволит рассчитывать поведение электронов и атомных ядер при химических реакциях, а также свойства возникающих молекул. Однако на практике такие расчеты долго оставались невозможными – уж очень сложны математические уравнения квантовой механики для комплексных объектов вроде молекул и даже отдельных атомов со множеством движущихся электронов.

В 1964 году Вальтер Кон, австрийский физик, работающий в США, создал теорию, согласно которой для подобных расчетов не обязательно знать и учитывать движение каждого отдельного электрона в молекуле или атоме. Достаточно знать среднее количество электронов, которые могут находиться в данной точке пространства (так называемая электронная плотность). Этой теорией Кон заложил основы новой отрасли науки – квантовой химии. Сложные уравнения стали поддаваться расчету.

В 1970 году английский математик и физик Джон Попл создал первый вариант компьютерной программы для таких расчетов. Компьютеру сообщают свойства молекулы или параметры химической реакции, и он, исходя из законов квантовой механики, выдает описание свойств молекулы или того, как может проходить данная реакция. С тех пор Попл неоднократно совершенствовал свою программу, сейчас ее используют тысячи химиков во всем мире. Программа, разработанная Поплом, позволяет рисовать на экране компьютера форму молекулы, если известно, из каких атомов она состоит. В начале 90-х годов Попл включил в свой метод теорию Кона, что позволило рассчитывать свойства и форму даже весьма сложных молекул, например белковых.

Доктор технических наук А. ШИПЕЙКО.

Тонкая золотая пластинка помещена в магнитное поле Н. Вдоль пластинки проходит электрический ток I, величина которого определяется приложенным напряжением V и омическим сопротивлением R пластинки. Эффект Холла заключается в появлении разности потенциалов V в направлении, перпендикулярном и току, и магнитному полю. Холловское сопротивление в этом направлении Rh = Vh/I.

Сотрудник знаменитых Белловских лабораторий Хорст Л. Штормер и профессор Принстонского университета Дэниел С. Цуи экспериментально обнаружили эффект, который сегодня можно объяснить лишь наличием объектов, несущих электрический заряд, равный 1/3 е (е – заряд электрона). Оба исследователя и профессор Стэнфордского университета Роберт Б. Лохлин, который смог объяснить результаты их экспериментов, были удостоены Нобелевской премии по физике 1998 года. Похоже, что фундаментальность одного из краеугольных камней современной физики – величину наименьшего возможного электрического заряда – приходится подвергать сомнению. Однако пока трек частицы с дробным зарядом не будет обнаружен в пузырьковой камере или на фотоэмульсии, есть время продумать и осознать событие, которое так или иначе имеет огромное научное и практическое значение. Но в чем же состоит это событие?

В конце прошлого века атом рассматривали как последний неделимый фрагмент вещества. Открытие электрона в 1897 году показало, что атом имеет сложное строение. Его «составные части» назвали элементарными частицами. Вскоре выяснилось, что и они не элементарны, а способны по определенным законам распадаться. На пути изучения законов микромира родилась квантовая механика.

Лауреаты Нобелевской премии по физике 1998 года: Дэниел Цуи, Роберт Лохлин, Хорст Штормер.

Изменение холловского сопротивления в разных экспериментах. Диагональная линия сверху – измерения Эдвина Холла 1879 года. Левая часть нижней кривой – результаты Клауса фон Клитцинга 1980 года – сопротивление меняется скачками в целое число раз. Правая часть: в области сильных магнитных полей сопротивление, а следовательно, и заряд пропорциональны дробной величине заряда электрона.

В 1911 году Роберт Милликен измерил заряд электрона и установил, что он элементарен – имеет минимально возможную величину. Заряд электрона стал фундаментальной константой. Однако в 1964 году М. Гелл-Манн и Г. Цвейг разработали теорию, согласно которой адроны, к которым относятся, например, протон, нейтрон, тг-мезон, состоят из кварков, которые должны нести дробные электрические заряды в 1/3е и 2/3е. Гипотеза о кварках очень заманчива, поскольку в нее укладывается большинство наблюдаемых явлений. Но до последнего времени в эксперименте не удавалось наблюдать не только самих кварков, но и дробных электрических зарядов вообще.

В 1879 году Эдвин Геберт Холл, будучи молодым студентом, открыл неожиданный эффект. Он обнаружил, что если поместить тонкую золотую пластинку в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости этой пластинки, и пропустить через нее электрический ток, то в направлении, перпендикулярном направлению и магнитного поля, и тока, возникает разность потенциалов. Это явление получило название эффекта Холла. Кроме того, оказалось, что электрическое сопротивление пластинки в поле зависит от величины поля.

Холл выполнял свои эксперименты при комнатной температуре и при средних значениях магнитной индукции. В конце 1970 года ряд исследователей повторили эксперимент Холла при чрезвычайно низких температурах (около -272°С) и в гораздо более сильных полях. В качестве материала они брали пленки из исключительно чистых полупроводников, содержащие электроны, которые обладали очень высокой подвижностью вдоль поверхности. В таких условиях электроны движутся практически в двумерном пространстве. Это и послужило причиной возникновения многих неожиданных эффектов. Один из них состоял в том, что существенно изменился характер эффекта Холла.

В 1980 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг обнаружил в аналогичном эксперименте, что сопротивление Холла с усилением магнитного поля индукции меняется скачками.

При этом величина сопротивления каждый раз была равна некоторой постоянной, поделенной на целое число. Можно сказать, что сопротивление подвергалось квантованию. Для квантованных значений сопротивления Холла нормальное омическое сопротивление исчезало и материал становился сверхпроводящим. Эксперимент послужил поводом для введения новой международной единицы сопротивления, названной клитцинг и равной ii/4e2 , где h – постоянная Планка.

За результаты этого исследования, названные целочисленным квантовым эффектом Холла, фон Клитцинг был удостоен Нобелевской премии 1995 года. Эффект можно объяснить с позиций законов квантовой физики. Упрощенно рассуждая, электроны в сильном магнитном поле начинают двигаться по круговым траекториям, размеры которых определяются магнитным полем. Скачки указывают на число траекторий, целиком заполненных электронами.

Хорст Штормер, Дэниел Цуи и их сотрудники повторили исследования квантового эффекта Холла, используя пленку из арсенида галлия, нанесенную на подложку распылением в вакууме. Так удавалось получать сверхчистое вещество, а чем чище кристалл, тем свободнее в нем движутся электроны. Кроме того, они использовали еще более низкие, чем Клитцинг, температуры и гораздо более сильные магнитные поля. К великому удивлению, они обнаружили новые скачки величины сопротивления Холла, в три раза большие, чем в экспериментах Клитцинга. По ходу экспериментов их наблюдалось все больше. Величины всех новых скачков снова оказалось возможным выражать через ту же постоянную, однако теперь ее приходилось делить на дробные числа. По этой причине новое открытие назвали дробным квантовым эффектом Холла. Причину его исследователи объяснить не смогли.

Через год после открытия дробного квантового эффекта Холла Роберт Лохлин предложил его теоретическое объяснение. В соответствии с его теорией низкая температура и сильное магнитное поле заставляют электронный газ конденсироваться в новый тип квантовой жидкости.

Согласно одному из законов квантовой механики – принципу Паули – частицы, относящиеся к фермионам, то есть обладающие полуцелым спином (1/2, 3/2 и т.д.), препятствуют любым попыткам к объединению. Наоборот, частицы с целым спином (бозоны) стремятся к объединению и легко образуют своеобразную жидкость. В соответствии с сильно упрощенным представлением движущиеся электроны (имеющие спин 1/2) могут объединяться в пары, образуя бозоны, которые конденсируются в квантовую жидкость.

Квантовые жидкости имеют ряд общих свойств, например сверхтекучесть, но обладают и существенными различиями. Некоторые из них, подобные жидкости Лохлина, состоят из отдельных частиц.

Кроме сверхтекучести, которая объясняет исчезновение омического сопротивления при скачках сопротивления Холла, новая квантовая жидкость имеет ряд любопытных свойств. Наиболее примечательным из них оказалось то, что попавший в нее электрон возбуждается, вызывая рождение нескольких квазичастиц с дробным электрическим зарядом. Это не частицы в общепринятом смысле слова, а следствие группового «танца» электронов в квантовой жидкости. Роберт Лохлин впервые показал, что для объяснения результатов Штормера и Цуи квазичастицы должны иметь именно дробные электрические заряды.

Новая квантовая жидкость практически несжимаема: на сжатие она отвечает рождением большего количества квазичастиц, а на это требуется дополнительная энергия.

Для физиков – специалистов по так называемым сильным взаимодействиям – открытие и объяснение дробного квантового эффекта Холла очень важно. Это – косвенная демонстрация реального существования квантовой жидкости и квазичастиц, несущих дробный электрический заряд. В последнее время несколько исследовательских групп наблюдали, например, очень малые изменения силы тока, которые следует приписать квазичастицам, движущимся по проводнику. Подобные эксперименты можно уподобить записи шороха одной градины во время грозы, по которой устанавливают, что ее размер составляет дробную часть нормального. Их можно рассматривать как исчерпывающую проверку правильности полученных результатов Штормера и Цуи.

Какие же последствия имеет открытие Штормера, Цуи и Лохлина? Прежде всего, оно означает, что элементарный заряд электрона е оказался не элементарным. В связи с этим возникает вопрос: сохранится ли в физике будущего величина е в качестве фундаментальной константы? Далее – открытие служит аргументом, причем решающим, в пользу кварковой теории строения адронов. А исследование материи на субэлементарном уровне может привести к ошеломляющим результатам. Энергия взаимодействия кварков в адроне, по грубой оценке, настолько же больше энергии взаимодействия нуклонов в ядре (которая выделяется при взрыве водородной бомбы), насколько та превышает энергию взаимодействия электронов с ядром, высвобождающуюся в химических реакциях. Вполне можно представить себе реакцию синтеза адронов в «кварковом газе», энергию которой придется оценивать уже в мегатоннах «водородного эквивалента».

Чрезвычайно интересна и сама сверхпроводящая и сверхтекучая квантовая жидкость Лохлина с точки зрения ее возможного технического использования. А то, что все эффекты наблюдались практически в двумерном пространстве, наводит на мысль, что мы стоим на пороге новых двумерных и одномерных технологий. Этому обстоятельству большое внимание уделяют и сами лауреаты.

И в заключение – перечень сотрудников Белловских лабораторий, удостоенных высокой награды, который очень хотелось бы довести до сведения руководителей нашего государства.

1937 год. Профессор Клинтон Девиссон экспериментально доказал волновую природу электронов и стал первым нобелевским лауреатом Белловских лабораторий.

1956 год. Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Уильям Шокли удостоены Нобелевской премии за изобретение транзистора.

1964 год. Чарльз Таунс (совместно с российскими учеными Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым) удостоен Нобелевской премии за изобретение лазера.

1978 год. Арно Пензиас удостоен Нобелевской премии по физике за открытие реликтового излучения.

1981 год. Артур Л. Шавлов удостоен Нобелевской премии по физике за работы в области лазерной спектроскопии.

1996 год. Дуг Ошеров удостоен Нобелевской премии по физике за работы в области сверхпроводимости, Гарольд Крото – Нобелевской премии по химии за открытие новой формы молекул углерода, фуллерена С-60.

1997 год. Стивен Чу удостоен Нобелевской премии по физике за работы в области охлаждения атомов до предельно низких температур.

1998 год. Хорст Штормер удостоен Нобелевской премии за открытие дробного квантового эффекта Холла.

Итого одиннадцать нобелевских лауреатов в одной организации – число, значительно превышающее средний уровень даже для развитых стран, не говоря уже об организациях. Причина этого предельно проста. Компания Lucent Technologies, в состав которой входят Белловские лаборатории, считает необходимым выделять 11% оборота, составившего в 1998 финансовом году 26 миллиардов долларов, на научные исследования, в том числе 1% – на исследования фундаментальные…

При написании данной заметки были использованы материалы, опубликованные на веб-сайте http://www.bell-labs.com .