Тяжелые электроны - новое слово науки или желтый вброс

Slawik75

Почитал статейку на газете и задался вопросом:
я так отстал от жизни или "тяжелые" электроны - действительно, бред сивой кобыли. Быстрый поиск по википедии ответа не принес. Ниже текст самой статьи. У меня сразу возникли вопросы к ней.
Во-первых, как электрон может иметь нестандартную массу? Считается же, что все они имеет одинаковую массу и одинаковый заряд.
Во-вторых, как это "изобразились"? Электроны же имеет вероятностную природу (т.е. можно изобразить распределение вероятности, что электрон где-то, но нельзя дать определенные координаты).
Тяжелые электроны изобразились
Получены первые изображения «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».
Пока ученые продемонстрировали сами наблюдения «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.

blackout

Во-первых, как электрон может иметь нестандартную массу? Считается же, что все они имеет одинаковую массу и одинаковый заряд.
Об этом написано в статье, которую ты запостил.
Во-вторых, как это "изобразились"? Электроны же имеет вероятностную природу (т.е. можно изобразить распределение вероятности, что электрон где-то, но нельзя дать определенные координаты).

Это не так, попадание электрона в детектор вполне можно зарегестрировать, принципу неопределенности это конечно не противоречит.

Lene81

Блин, термин "тяжелые фермионы" известен уж лет двадцать. Суть вот в чем: масса _свободного_ электрона, конечно константа. Однако электрон в металле не свободен — он притягивает к себе положительно заряженные ионы металлов, сидящих в кристаллической решетке и слегка смещает их из равновесных позиций. Если электрон движется под действием внешнего поля, то окружающая его "шуба" смещенных ионов тоже перемещается. На формирование этой шубы требуется работа, а ионы не мгновенно реагируют на наличие электрона. Шуба при движении становится несимметричной и тормозит электрон, в результате нарушается пропорциональность между ускорением электрона и силой, действующей на него. Это нарушение можно _формально_ учесть приписав электрону измененную, как говорят "эффективную", массу.
Так вот, "тяжелые фермионы" — это такой режим взаимодействия электронов и решетки, когда эффективная масса превышает массу покоя в сотни раз. И причину такого сильного взаимодействия пытаются понять.

Slawik75

спасибо, доступно.

Annie5

а как же теория единственности электрона?

Slawik75

А что с ней плохого? Я не вижу проблем ни от того, что "тяжелые" электроны есть, ни от приведенное объяснения.
Параметры всех электронов одинаковые, что позволяет обозвать их одним электроном.
А взаимодействие с окружающими протонами происходит, когда и если электрон находится рядом. Что, вроде как, тоже не мешает обзывать все електроны одним.
К тому же, это только теория. Если она не сможет объяснить какое-либо наблюдение, то это проблемы теории, а не наблюдения.

Brina

А разве это не просто введение эффективной массы: кинетическая энергия электрона Е определяется через его импульс р:
E = p^2/2m*,
где m* — эффективная масса. Импульс электрнов определяется из квантов
p = hk,
где h — это постоянная Планка с чертой. Отсюда имеем эффективную массу.
Насколько я понимаю, на m* в этом случае никаких ограничений нет. Она может быть даже отрицательной — это соответствует дырке в полупроводнике (по крайней мере, такая трактовка есть)...

seeknote

ты будешь удивлен, но есть тяжелые дырки :)
Оставить комментарий
Имя или ник:
Комментарий: