Графен

Глава 3, часть1б.
+
309.Графен.
V_VVV
- Твердое тело может показать тебе цветовые взаимодействия своих квази-частиц, - ИР начали свой рассказ о графене с такого описания.
- Странно это звучит, - решила Элина.
- Графен, двумерный кристалл, это новый класс материалов, - продолжили ИР.
Возможность исследования двумерной атомной структуры графена, и определенная легкость его получения, и нахождения в стабильном виде, открыло перед учеными новую эпоху в квантовой-релятивистской физике твердого тела.
- Кто бы мог подумать, - подивилась Элина, - всего-то «чешуйка от простого карандаша». - А скока шума!
- Носители заряда в графене подобны безмассовым релятивистским фермионам, и описываются уравнением Дирака, а не Шредингера.
.
Константин Новосёлов, лауреат Премии Нобеля по физике за 2010 год, вместе с Андреем Геймом открывший в 2005-м графен, также предложил новое квантовое число для электрона, так называемый псевдоспин для описания двухцветных электронов в графене.
В квантовой электродинамике твердого тела, квазичастицы* (электроны и дырки, из которых эти электроны были «выбиты») описываются спинорными (двухкомпонентными) волновыми функциями:
• квазиимпульс “- “ отрицателен для дырок и “+” позитивен для электронов;
• псевдоспин – он одинаков, но параллелен квазиимпульсу для электронов и антипараллелен для дырок.
______________________________________
*) Электрон и дырка в полупроводниках / кристаллах, связываясь в пары, образуют квазичастицы, названые Экситонами. – примечание редактора.
.
- Голова моя сейчас лопнет, - сообщила Элина Инопланетному Разуму. – Какие такие «дырки», какие электроны? Неужели, электрон тоже бывает двухцветным, почти как Кварк?
- Электрон, как и кварк, конечно же трехцветен, Элина. Пространство вашего мира предполагает это, на основании Основного закона Вселенной. Кристаллы графена толщиной точно в два адрона уже исследуются экспертами. Физикам еще есть, к каким энергиям стремиться, - не раздумывая предрекли ИР.
- Для вас всё просто, как «три копейки», - восхитилась Элина. – А я так и не поняла, что такое «спин»... – разочарованно прошептала девушка.
Ответом ей стал знак [благодарность] и краткие пояснения некоторых терминов из Квантовой теории.
.
3092.Спин.
Квантованый момент количества движения чего-либо.
Четырехмерность Пространства-Времени диктует следующие закономерности – возможно различить внутренний и внешний спиновые эффекты:
• спин-зависимое рассеяние;
• спин-орбитальное взаимодействие.
.
3093.Киральность.
Chirality (англ.) - отсутствие симметрии с правой и левой стороны, сохраняющееся Квантовое Число в теориях полей, обладающих киральной симметрией.
Киральной симметрией названо такое состояние адронного вещества, когда присутствует равно вероятность (1/2-1/2) переходов с испусканием частиц разнонаправленного скалярного вектора.
Электромагнитное и глюонное поля не имеют киральности ("0").
Сохранение киральности можно описать следующими условиями – спин неизменен, проекция спина на направление движения частицы может быть “положительной” (+) или “отрицательной” (-), соответственно, вектор скорости также меняет свой знак.
источник  – “Теория поля”, Пьер Рамон (Pierre Ramond), издательство “Мир”, 1984,
редакция – ВОЛЬНЫЙ.
.
3094.”Киральные” типы Квантового эффекта Холла.
Наблюдение свойств графена позволило обнаружить два 2 новых "киральных" типа Квантового эффекта Холла.
Название "Эффект Холла" получило такое свойство любого проводника, состоящего из адронного вещества, согласно которому возрастает внутреннее сопротивление в проводнике, на который оказывает воздействие сильное магнитное поле.
Эффект Холла на атомном энергетическом уровне объясняется тем, что из-за действия Силы Лоренца возникает разность потенциалов, перпендикулярная линиям поля основной напряженности.
При увеличении напряженности магнитного поля, становятся заметны квантовые эффекты в проводнике, при Квантовом эффекте Холла происходит квантование сопротивления – это следующий энергетический уровень адронного вещества.
В ещё более сильных полях наблюдается перестройка внутренней структуры.
Таким образом, в наблюдениях киральных типов Квантового эффекта Холла, в условиях наложения электромагнитного поля значительной напряженности, при исследовании свойств Графена эксперементаторами оказывается превзойден Критерий малости следующего энергетического уровня, что позволяет познавать ранее незамечаемые человеком механизмы Сильного фундаментального взаимодействия.
- Вот это круто, - согласилась Эля.
.
3095.Критерий малости.
При соблюдении условий Критерия малости внешние воздействия не разрушают присущих физической системе внутренних свойств, не осуществляют «насилия» над системой, не оказывают влияния на механизмы сильного взаимодействия в веществе.
+
310.Подробнее о механизме сильного взаимодействия.
V_X
Получившие в 2004 году Премию Нобеля физики Гросс, Политцер, Вильчек открыли факт асимптотической свободы кварков при сохраняющемся цветовом взаимодействии.
Попутно выяснилось, что с увеличением Энергии, при сближении Кварков, константа взаимодействия уменьшается, стремясь к нулю. Кварки практически переходят в состояние свободных частиц, когда находятся на малом расстоянии (меньше Комптоновской длины волны), соизмеримым с размерами самого адрона.
Этот факт выделяет сильное взаимодействие из других, в которых «ближе» всегда означает «сильнее».
Для электронов и кварков длина Комптоновской волны - различна, и они "не пересекаются". То есть, Кварк не участвует в сильном взаимодействии с Электроном.
Сильное ядерное взаимодействие проявляется, таким образом, для частиц одного типа, но с различным цветовым зарядом ("лептонным числом").
Сильное взаимодействие передается глонами, оно же удерживает кварки в частицах.
Таким образом, за сильное взаимодействие отвечает не масса и не заряд, но цветовой заряд.
.
- Самое время вспомнить механизмы остальных фундаментальных взаимодействий, - предложили ИР.
- Кому «вспомнить», а кому – «узнать», - улыбнулась Эля.
- «Учиться никогда не поздно», - напомнили ИР. – Нам известны следующие механизмы передачи взаимодействий:
• Слабое – передаётся массивными калибровочными бозонами, пример - радиоактивный распад;
• Гравитационное – передаётся гравитонами (квази-частицами без массы, без заряда);
• Электромагнитное взаимодействие осуществляют кванты электромагнитного излучения, (фотоны - без массы, без заряда).
.
- Все известные виды взаимодействия являются частным случаем гравитации? – поинтересовалась Элина.
- Связь между Временем, Квантовыми флуктуациями, Веществом (обладающим температурой, массой и находящимся под воздействием гравитации) и Излучением, на наш взгляд, вполне закономерна, - объяснили ИР.
- Всё, что обладает массой, подвержено воздействию времени, так как участвует в сильных и слабых взаимодействиях, а любое взаимодействие конечно во времени, электромагнитных взаимодействиях и гравитации.
То, что не обладает массой, не подвержено гравитационным взаимодействиям или времени, оно флуктально и само создаёт время.
- Квантовые флуктуации и есть проявления гравитонов в поле наблюдений? - попросила пояснить Элина.
Как это уже не раз было, этот вопрос Эли “повис в воздухе”. Инопланетный Разум оставили его без ответа.
+
311.Экситон.
V_0/0X
- Френкель предсказал, а Гросс доказал, - весьма неожиданно передали ИР.
- Повторите, пожалуйста, - зарделись щеки Элины.
- С того времени прошло уже более полувека, как они открыли для человечества объяснение самой сути конденсированного состояния материи (Вещества), - продолжили ИР.
- А раньше были они? или эксперименты доктора Хоффмана? - зачем-то спросила Элина, блеснув эрудицией, удивительной для её возраста.
- Не ёрничай Элина, мы постараемся рассказать тебе об Экситоне, - спокойно продолжили повествование Инопланетный Разум.
- О ком? - переспросила девушка
- "О чём", правильнее будет поставить вопрос так. "О чём", а "не о ком", - бесстрастно парировали ИР. - Вновь слово с окончанием на "-он".
- Смутить ИР невозможно, - решила про себя Эля.
- Да, это так, - передали ИР. - Ты не можешь смутить нас.
- Вот ещё, - фыркнула Эля.
В дальнейшем, рассказ Инопланетного Разума во многом был похож на лекцию, из зачитанных Доктором физ-мат, заведующим лабораторией ФТИ Иоффе РАН С-Пб ГТУ, РП Сейсяном.
.
Экситон - это квазичастица, будто гигантский атом водорода в решетке кристалла.
Электронно-дырочная пара, связанная Кулоновским взаимодействием, и способная свободно распространяться по кристаллу, - вот что это такое.
В целом, экситон подобен нейтральному атому водорода.
Как можно наблюдать в полупроводниках, его размер (радиус движения электрона) в сотни раз больше шага кристаллической решетки. Такой экситон классифицирован земной наукой как экситон Ванье-Мотта.
В молекулярных же кристаллах, расстояние между электроном и дыркой менее шага решетки, это экситон Френкеля.
- Ха-ха, у Френкеля свой "собственный" экситон, а у Ванье и Мотта - один на двоих, - пошутила Элина.
.
В отличие от атома водорода, в случае экситона ядро атома - это дырка, то место, где электрон находился до возбуждения квантом света. Это фундаментальное различие между ними. Так сказывается переход на следующий энергетический уровень -
в атоме Водорода отношение массы Протона к массе Электрона - велико (их массы отличны друг от друга в 1840 раз), и значительно больше всех известных отношений массы Дырки и массы Электрона в Экситонах.
Такой значительный диапазон масс частиц, формирующих атом собственно адронного вещества и атом в адронном веществе, присущ нашей Вселенной. Той Вселенной, в которой масса всегда положительна (+).
.
Экситон играет значительную роль в ряде физических процессов в полупроводниках. Например:
• Перенося энергию, он не переносит заряд;
• Экситон может обладать нулевым или целым спином, и ведёт себя, почти как бозон;
• Он транспортирует энергию с максимально возможной скоростью;
• Экситон демонстрирует взгляду экспертов свободное движение поперек линий магнитного поля;
• Его собственное радиационное время жизни составляет 10-6 секунды.
.
Кроме прочих, ИР отметили и приведенные ниже магнитные свойства этой удивительной частицы мира:
• Экситон взаимодействует с поперечным электромагнитным поляризационным полем, при прохождении светового потока сквозь кристалл;
• В условиях сильного магнитного поля, экситоны ведут себя как параллельно-ориентированные диполи;
• При движении в магнитном поле, Магнитэкситон поляризует сам себя;
• Магнитоэкситоны взаимодействуют между собой посредством диполь-диполь отталкивающего потенциала.
.
То есть, слабовзаимодействующие Магнитоэкситоны в кристалле, обладающие целой волновой функцией, с точки зрения “Квантовой статистики”, могут быть рассмотрены как Слабонеидеальный Бозе газ отталкивающихся диполей.
Гибрид дипольно-активных экситонов и фотонов называется Поляритон экситонный.
- Остапа понесло, - Элине вспомнилась крылатая фраза из произведения нетленных классиков.
- Мы рассуждаем не о литературе, - напомнили ИР.
- Знаю, - уставшим голосом сообщила Эля. Её уже порядком утомили нескончаемые передачи Инопланетного Разума о бесконечном множестве различных квази-частиц.
- Мир не прост, но логичен. Его стройное устройство вскоре позволит Человеку познать Основной закон Вселенной.
- Что мне до этого, - развела руками девушка. - Мне нет дела до этого.
- Хорошо, - вдруг согласились ИР. – Тогда просто запомни следующую последовательность:
Газовая фаза – Сверхтекучесть - Металлическая фаза.
.
Ламперт и Москаленко доказали возможность устойчивого существования в полупроводниках выделенной энергетической зоны, экситонной молекулы, которую назвали Биэкситон.
- Какова величина энергии связи между двумя экситонами? - деловито осведомилась Элина. Предыдущие уроки явно пошли ей на пользу.
- Какова она? - продолжили Инопланетный Разум. - Молекула Экситона менее устойчива, чем молекула Водорода.
- Что такое Магнитоэкситон? – не поняла Элина.
- Это квази-частица, возникновение которой обусловлено слабейшим из двух взаимодействующих через вещество энергетических полей. В случае показанного выше примера – магнитного поля.
- Что же тогда такое Магнон? – снова не поняла Эля.
- В кристаллах и ферромагнетиках возникают квази-частицы, которые соответствуют элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. Это и есть Магнон. Ты можешь почитать о его свойствах на Дик-академике, - затараторили ИР.
- В чём же отличие Экситона от Магнона? - чуть не плача, поинтересовалась Эля.
- Магнон – это квази-частица из истории о низких температурах, а Магнитоэкситон – энергетическая зона из истории о полях высокой напряженности.
- Замороженный пирожок с начинкой из яблочного джема отличается от того же пирожка, какой только что достали румяным из духовки, с пылу, с жару, - рассудила Эля. Видимо, она не прочь уже была приступить к полднику.
- В чём отличие одного куска пирога от другого? – зачем-то переспросили ИР.
.
Москва, 13013