Знание-сила, 2000 № 05-06 (875,876) - [16]
Более полувека, полузабытое, это явление оставалось в тылу физической науки. Откопали его в архивах специалисты по микроэлектронике. Сначала выяснилось, что если грубые измерительные приборы времен Холла заменить на современные, то открытое им явление можно использовать для подсчета числа заряженных частиц, движение которых порождает электрический ток, а это очень важно для конструкторов малошумящих транзисторов и других высокочувствительных микроэлектронных устройств, работающих с очень слабыми токами и магнитными полями. Эффект Холла стали тщательно изучать, не жалея усилий на повышение точности. Третий, четвертый, пятый десятичный знак на шкалах измерительных приборов… И вот тут стали проявляться удивительные, на первый взгляд просто невероятные явления.
Первый поразительный результат был получен двадцать лет назад, в конце семидесятых годов, в опытах с полупроводниковыми цепями в сильном магнитном поле при очень низких температурах, всего на несколько градусов отстоящих от «абсолютного нуля» -273 градуса по Цельсию, когда вещество промерзает настолько, что прекращаются, застывают все молекулярные движения. Так вот, если при обычных температурах, близких к комнатной, электрическое сопротивление в цепи с «холловским током» плавно нарастает при увеличении магнитного поля, то вблизи температурного нуля оно почему-то изменяется скачками — как будто гладкая дорожка, по которой движутся частицы тока, вдруг сменяется изрытой глубокими ухабами мостовой. Плавные кривые, которые выписывали самописцы приборов, сменяются прерывисто «лестницей», высота ступеней которой была равна некоторой постоянной, деленной на целые числа n = 1, 2, 3 и так далее.
И что еще удивительнее — на каждой ступени сопротивление в продольной цепи тока падает до нуля, то есть для продольного тока вещество становится сверхпроводником — электроны катятся без всякого сопротивления, а вот на стыках, при переходе от одной ступени к другой, сопротивление резко подскакивает и сверхпроводимость мгновенно исчезает. Все это выглядело какой-то путаницей — как говорится, все смешалось в доме Облонских!
Чем объяснить столь странное поведение скрещенных токов? Почему они ведут себя совершенно по-разному? Электродинамика оказалась бессильной перец этой загадкой… Мы привыкли к тому, что загадочные явления встречаются в сложнейших экспериментах с элементарными частицами или глубоко в космосе, когда дело касается черных дыр, взрывающихся галактик и других поражающих наше воображение объектов, а тут — всего лишь опыты с сопротивлением и токами. Вдоль и поперек исхоженная область и — на тебе!
Впрочем, нечто подобное уже случалось — на рубеже XIX и XX веков, когда открытие скачкообразных атомных явлений взорвало стройное, казавшееся близким к завершению здание физической теории. А ведь тогда все началось тоже в глубоком тылу — с попыток объяснить излучение нагретого тела, что было важно для измерения температуры металлургических печей. Не стоим ли мы теперь на пороге какого-то еще более глубокого этажа природы? Не стоит забывать, что современная физика построена на фундаменте гипотезы об особой глубинной, всепроникающей среде, которую называют физическим вакуумом, но пока совершенно не понимают его сущности.
Мысль о том, что в эффекте Холла мы соприкасаемся с вакуумным этажом природы, подсказывают и результаты квантовых расчетов, которые, несмотря на все усилия физиков, дают лишь частичное и весьма приближенное объяснение наблюдаемым явлениям — подобно тому, как неквантовая физика ценой дополнительных гипотез когда-то тоже объясняла некоторые атомные закономерности.
Многое говорит о том, что в полупроводниках холловские токи текут по очень тонкому слою на границе двух разнородных материалов, входящих в состав полупроводника. Он-то и отвечает за их аномальное, скачкообразное поведение. Для перемещающихся по этому слою электронов одно из трех пространственных измерений (толщина слоя) сжимается почти до нуля, и, как это всегда бывает на малых расстояниях, тут в игру вступают квантовые законы.
Опыт Холла с пластинкой и перпендикулярным магнитным полем
Сплошная кривая — электрическое сопротивление в поперечной цепи.
Пунктир — сопротивление в продольной цепи, содержащей электрическую батарею
Два электромагнитных импульса бегут по путям равной длины Тот, что преодолевает поглощающий «барьер», проходит путь быстрее
На этих расстояниях радиус кривизны в силу появляющихся теперь квантовых законов принимает лишь некоторые вполне определенные, дискретные значения — как радиусы электронных орбит в атомах. На каждой из них квантовые законы (так называемый принцип Паули) разрешают находиться только ограниченному числу электронов. Лишним приходится занять следующую, более широкую траекторию, если, конечно, электромагнитное поле достаточно сильное, чтобы их удержать там. Наблюдаемое в опытах ступенчатое изменение электрического сопротивления холловскому току как раз и соответствует набору таких орбит-траекторий.
Если продолжить аналогию с орбитами атомов, то можно представить себе, что, подобно атомарным электронам, переносчики тока в опытах с низкотемпературным эффектом Холла движутся по круговым траекториям, не теряя энергии, то есть вещество становится для них сверхпроводником. Потери на нагревание вещества с резким возрастанием электрического сопротивления происходят лишь при тех значениях магнитного поля, которые соответствуют узким промежуточным интервалам. Это как раз и есть те дорожные ухабы, о которых говорилось выше. Ступенчатое сопротивление токи встречают лишь в поперечной цепи, где их траектории смещаются усилиями внешнего поля, а в продольном направлении напряжение включенной батареи, как ветер, гонит петли круговых токов по цепи.
