Тяжелые электроны изобразились

ТЕКСТ: Николай Городецкий

ФОТО: McMaster University

«тяжелых» электронов в металлах, что позволит лучше описать свойства некоторых металлов и поможет разработать новые материалы для высокотемпературных сверхпроводников.

Со школьной скамьи многие помнят, что способность металлов проводить электрический ток связана с наличием в них свободных электронов, которые также определяют и другие важные свойства металла – взаимодействие с магнитным полем и теплопроводность. Взаимодействуя друг с другом и с ионами кристаллической решетки, эти электроны меняют свойства металла в целом. Чтобы учитывать это взаимодействие, физики ввели некую количественную характеристику – эффективную массу.

В некоторых соединениях металлов эта эффективная масса оказывается почти в 1000 раз больше, чем масса покоя свободного электрона – 9,1•10^-31 кг.

В связи с этим в науке появилось понятие «тяжелого» электрона.

Свойства таких соединений разительно отличаются от свойств обычных металлов. У некоторых веществ удельная теплоемкость и магнитная восприимчивость (способность вещества намагничиваться в магнитном поле) оказались в несколько сот раз больше, чем у обычных металлов. А некоторые соединения при низких температурах перешли в сверхпроводящее состояние – то есть при конкретных условиях их электрическое сопротивление равно нулю.

Физика соединений с «тяжелыми» электронами до сих пор неясна, но определенные успехи учеными достигнуты.

В частности, в последнем номере журнала Nature опубликована статья американских исследователей из университета Макмастера, Корнельского университета, Брукэйвенского отделения США по энергетике и Лос-Аламосской национальной лаборатории. В работе рассказывается о первом в мире полученном изображении «тяжелых» электронов в соединениях металлов.

В своем исследовании ученые использовали кристаллическое соединение урана, рутения и кремния – Uru₂Si₂. Используемые образцы охлаждались до низких температур, сначала до 55 Кельвинов (-218 градусов Цельсия), а затем и до температуры фазового перехода – 17,5 К. В работе применялся специально разработанный для данного исследования метод получения спектроскопических изображений сканирующей туннельной микроскопией (SI-STM). Обычный вариант сканирующего зондового микроскопа предназначен для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением, что происходит путем измерения тока, возникающего за счет разности потенциалов между сканирующим элементом и проводящей поверхностью.

Благодаря методу SI-STM ученые смогли отследить расположение и взаимодействие электронов в кристаллах, посмотреть, как они реагируют на изменение температуры и что происходит с ними, когда материал приобретает температуру ниже температуры фазового перехода.

«Представьте себе, что вы летите над водоемом, где есть стоячие волны, которые распространяются вверх и вниз, но не распространяются на берег. Вы можете прикоснуться к воде только в самой верхней точке, а к более нижним – не cможете. Это будет похоже на то, что делает наш микроскоп», – объяснил руководитель исследования, Симус Дэвис из Корнельского университета и Брукхэйвенской лаборатории.

«Мы не знаем, с чем связан фазовый переход при температуре 17,5 К в данном материале, с особенностями группового поведения электронов или же, например, со взаимодействием свободных электронов с атомами урана. Но микроскоп позволяет нам увидеть изменения микроскопических электронных состояний».

«тяжелых» электронов в соединении Uru₂Si₂. В ближайшее время исследователи намерены подобным образом «сфотографировать» похожие соединения. Набрав материалы по этим соединениям, ученые постараются пролить свет на физику металлов с «тяжелыми» электронами, которые являются потенциальными сверхпроводниками и могут найти широкое применение в технике в ближайшем будущем.