НОБЕЛЕВСКАЯ премия по физике за 1998 г. присуждена Р.Лафлину, Х.Штёрмеру и Д.Цуи за открытие нового вида квантовой жидкости, в которой возбужденные состояния имеют дробный электрический заряд.

Роберт Лафлин (Robert B.Laughlin) родился в 1950 г. в Визалии, США. Диссертацию по физике защитил в 1979 г. в Массачусетсском технологическом институте. С 1989 г. - профессор физики в Стэнфордском университете (Калифорния).

Хорст Штёрмер (Horst L.Stеrmer) родился в 1949 г. во Франкфурте-на-Майне. Ученую степень по физике получил в Штутгартском университете в 1977 г. В 1992 - 1997 гг. возглавлял отдел физических исследований Лаборатории "Bell labs", а в 1998 г. стал заместителем директора Лаборатории "Bell labs" в составе компании "Lucent Technologies" и профессором Колумбийского университета (Нью-Йорк).

Дэниел Цуи (Daniel C.Tsui), родившийся в 1939 г. в китайской провинции Хэнань, теперь гражданин США. В 1969 г. в Чикагском университете защитил диссертацию по физике. С 1982 г. - профессор Принстонского университета.

ВЕК МИРОВЫХ КОНСТАНТ

Заканчивается 20-е столетие, которое традиционно называют квантовым веком, но с точки зрения физика, как мне кажется, напрашивается и другое название - век мировых констант. И вот почему. Еще в 1676 г. К.Рёмер получил одно из первых экспериментальных подтверждений того, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью, и попытался ее измерить. Однако лишь результаты опытов А.Майкельсона - Э.Морли, впервые опубликованные в 1887 г., показали, что скорость света с остается неизменной во всех инерциальных системах. В попытках объяснить этот результат и создал теорию относительности А.Эйнштейн. Исторически константа с стала первой фундаментальной мировой константой. Оба эти эпитета означают, что скорость света, она же электродинамическая постоянная, имеет смысл при описании любого известного в настоящее время процесса, даже если в явном виде она и не участвует в таком описании.

14 декабря 1900 г. М.Планк в своем знаменитом докладе на съезде Немецкого физического общества ввел в обращение другую константу h, впоследствии названную его именем, которая так же, как и скорость света, может претендовать на звание фундаментальной мировой константы. Постоянная Планка легла в основу квантовой физики.

Наконец, в 1911 г. достоянием научной общественности стали результаты опытов Р.Милликена, в которых была установлена величина заряда электрона е, открытого Дж.Дж.Томсоном в 1897 г. Трудно не заметить, что указанные события совершались с интервалами примерно в десятилетие, а два из них - круглые юбиляры в последнее трехлетие ХХ в.

Три мировые фундаментальные константы - это не просто числа, которые следует использовать при различных расчетах. Вместе с массой электрона они определяют систему единиц, в которой могут быть описаны почти все известные на сегодня явления. При этом ни одно из таких описаний не требует привлечения какой-либо дополнительной фундаментальной константы, если, конечно, не считать гравитационную постоянную g, которая, однако, встречается значительно реже.

АРХИТЕКТУРА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Планетарная модель атома, предложенная Э.Резерфордом в 1911 г., быстро завоевала популярность главным образом потому, что уж очень заманчивой была идея единства строения Вселенной и в большом, и в малом. Как хорошо высказался Э.Вихман, "когда мы пытаемся понять непривычное физическое явление, то весьма полезно сначала прибегнуть к наиболее простому - к теории или модели, которые уже себя оправдали в аналогичной ситуации". В дальнейшем непреодолимые трудности, связанные с планетарной моделью, вызвали к жизни совершенно новую теорию - квантовую механику. Однако идея о составной природе простейших физических объектов прочно завоевала умы ученых. Размышления над таблицей Менделеева привели в конечном итоге к появлению модели атомного ядра как состоящего из протонов и нейтронов.

После того как экспериментально было подтверждено существование протонов и нейтронов, наступила эпоха стремительного расширения круга элементарных частиц. К 1959 г. их было известно уже 30, и на время создалось впечатление, что на этом их список закончится. Но такое представление очень скоро было опровергнуто. Количество различных частиц росло и продолжает расти. Мы нарочно не приводим здесь число, поскольку за время подготовки данной заметки к печати оно может измениться.

Были обнаружены два основных факта, ставшие фундаментом для дальнейших исследований. Во-первых, оказалось, что частицы способны взаимодействовать друг с другом и результатом такого взаимодействия может быть рождение других частиц. Во-вторых, все подобные превращения возможны лишь при выполнении закона сохранения, согласно которому сумма квантовых чисел частиц, принявших участие во взаимодействии, должна быть в точности равна сумме тех же квантовых чисел частиц, образовавшихся в результате взаимодействия.

Объяснить последнее обстоятельство можно тем, что частицы, считавшиеся элементарными, на самом деле - составные, а "кирпичики", из которых они строятся, образуют набор из сравнительно небольшого числа еще более простых частиц. При взаимодействии сложные частицы распадаются на такие кирпичики, которые затем объединяются в другие комбинации, представляющие собой уже иные частицы. Каждый кирпичик несет определенный набор квантовых чисел. Поскольку общее число кирпичиков в указанном процессе остается неизменным, неизменной остается и сумма квантовых чисел. Здесь необходимо уточнение. С самого начала допускалась возможность "рождения" пар: кирпичик - антикирпичик. Но так как сумма одноименных квантовых чисел у такой пары всегда равна нулю, высказанное выше соображение остается справедливым.

Подобные идеи привели в 1964 г. М.Гелл-Манна и Дж.Цвейга к гипотезе о существовании подобных кирпичиков, названных кварками. Кварковая модель оказалась настолько плодотворной и позволила разрешить столько проблем, что сегодняшние физики полностью поверили в существование кварков и рассматривают их как некоторую данность. Но есть и две существенные трудности. Во-первых, до сих пор еще ни разу не удалось "засечь" в эксперименте отдельный кварк в "голом" виде. И во-вторых, согласно теории, кварки (и антикварки) должны обладать дробным электрическим зарядом либо е/3, либо 2е/3. Поскольку такого тоже не наблюдалось, кварковая модель при всей ее привлекательности все еще остается умозрительной.

КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ ХОЛЛА

В 1879 г., еще молодым студентом, Э.Холл открыл любопытный эффект. Он обнаружил, что если поместить тонкую золотую пластинку в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости этой пластинки, и пропустить через пластинку электрический ток, то в направлении, перпендикулярном и к направлению магнитного поля B, и - тока I, возникает разность потенциалов VH, пропорциональная силе тока и индукции поля. Этот эффект, получивший название эффекта Холла, возникает потому, что электрически заряженные частицы (в данном случае электроны), двигаясь в магнитном поле, испытывают воздействие силы Лоренца и отклоняются в сторону от основного направления тока.

Сопротивление Холла, т.е. отношение холловского напряжения к силе тока, RH=VH/I, пропорционально магнитной индукции и обратно пропорционально концентрации n носителей заряда: RH=B/ne. Поэтому эффект Холла можно использовать для определения концентрации носителей электрического тока (отрицательных электронов и положительных дырок) в проводниках и полупроводниках. В физических лабораториях эффект Холла стал стандартным методом измерения магнитной индукции.

Холл проводил свои опыты при комнатной температуре и средних значениях индукции магнитного поля (менее 1 Т). В конце 70-х годов ряд исследователей повторили эксперимент Холла при "гелиевых" температурах (около 1 К) и в больших полях (до 30 Т). В качестве материала брали пленки из исключительно чистых полупроводников, используемых в электронной промышленности для изготовления малошумящих транзисторов. В гетероструктурах из таких пленок электроны обладают очень высокой подвижностью при перемещении вдоль плоскости гетероперехода.

В этих условиях движение низкотемпературных электронов происходит фактически в двумерном пространстве. Подобные геометрические ограничения и послужили причиной возникновения многих неожиданных эффектов. Один из них состоял в том, что существенно изменился характер эффекта Холла, а именно вид зависимости сопротивления Холла от величины магнитной индукции.

В 1980 г. в подобном эксперименте К.фон Клитцинг обнаружил, что сопротивление Холла изменяется с ростом магнитной индукции не непрерывно, а скачками, принимая дискретные значения h/ie², где i - целое число, h/e² - 26 кОм. Самое удивительное, что величина сопротивления никак не зависела от свойств материала и равнялась простой дроби от комбинации фундаментальных физических констант. Можно сказать, сопротивление подвергалось квантованию. Более того, для таких, квантованных, значений холловского сопротивления нормальное омическое сопротивление, измеряемое в направлении протекания тока, исчезало после каждого скачка.

За открытие этого эффекта, названного целочисленным квантовым эффектом Холла, фон Клитцинг был удостоен Нобелевской премии в 1985 г. Эффект объясняется последовательным заполнением уровней Ландау (дискретных уровней энергии электрона в магнитном поле) по мере роста индукции. Действие квантовомеханического запрета Паули определяет число свободных мест на каждом уровне: оно, как оказывается, в точности равно числу квантов магнитного потока (F₀=h/e), пронизывающего двумерный электронный газ.

Группы Х.Штёрмера и Д.Цуи продолжили исследования квантового эффекта Холла, используя в качестве материала сверхчистую пленку из арсенида галлия. Кроме того, они достигли еще более низких (чем в экспериментах Клитцинга) температур и еще более сильных магнитных полей. К великому удивлению, ученые обнаружили новые скачки в значениях сопротивления Холла, в три раза превосходящие наибольшие скачки в экспериментах Клитцинга. В ходе исследований они выявляли все больше и больше скачков как в области, лежащей над "целыми" скачками Клитцинга, так и между ними. Квантованные значения холловского сопротивления снова выражались через ту же постоянную h/e², однако теперь ее следовало делить на дробные числа i. Поэтому заговорили об открытии дробного квантового эффекта Холла, но причина его оставалась загадочной.

Все же через год Р.Лафлин предложил теоретическое объяснение эффекта. В соответствии с его теорией, при достаточно низкой температуре и достаточно сильном магнитном поле двумерный электронный газ становится своеобразной квантовой жидкостью нового типа.

Хотя частицами, составляющими эту жидкость, служат электроны, она не становится в рассматриваемых условиях ферми-жидкостью (из частиц или квазичастиц с полуцелыми значениями спина). Наоборот, возбуждения в лафлиновской жидкости (т.е. составляющие ее квазичастицы) суть бозоны. Она, таким образом, бозе-жидкость, и в ней возможно явление бозе-конденсации, а значит, сверхтекучесть (и сверхпроводимость, если возбуждения электрически заряжены). Лафлин предположил, что квазичастицы в рассматриваемой системе - коллективные образования, существование которых обеспечивается дальнодействующим взаимодействием между электронами (в сверхчистых образцах) и сильным магнитным полем. Такой композитной частицей (бозоном), по Лафлину, служит комбинация электрона и трех квантов магнитного потока.

Концепция квантовой жидкости была введена Л.Д.Ландау в 1941 г., вскоре после открытия П.Л.Капицей сверхтекучести жидкого ⁴He, и вполне объясняла это явление. Новая квантовая жидкость, предложенная Лафлиным, имеет ряд необычных свойств. Вот одно из наиболее примечательных: добавленный к такой жидкости электрон оказывается настолько энергетически невыгодным, что в ней рождаются возбуждения с дробным электрическим зарядом e/3. Лафлин был первым, кто показал, что квазичастицы должны иметь в точности дробные электрические заряды, что и объясняет результаты Штёрмера и Цуи. Последующие измерения выявили еще большее число скачков с дробными зарядами, и оказалось, что все они могут найти объяснение в концепции лафлиновской квантовой жидкости.

Новая квантовая жидкость не поддается сжатию, т.е. она практически несжимаема. Происходит так потому, что на сжатие жидкость отвечает рождением большого числа квазичастиц, что энергетически крайне невыгодно.

Открытие и объяснение дробного квантового эффекта Холла в 1982 - 1983 гг. можно считать косвенным доказательством существования лафлиновской квантовой жидкости и квазичастиц, несущих дробный электрический заряд. В последнее время целый ряд исследовательских групп подтвердили в непосредственных измерениях скачков силы тока наличие у движущихся по проводнику квазичастиц дробного заряда e/3. Сложность таких измерений подобна улавливанию шороха одной градины во время грозы, да еще установлению при этом размера градины, составляющего дробную часть от нормального. Все это стало возможным, в частности, благодаря выдающимся достижениям в области радиоэлектроники за время, прошедшее с того момента, когда три новых лауреата Нобелевской премии совершили свое открытие. Выполненные с тех пор измерения можно рассматривать как исчерпывающую проверку правильности полученных ими результатов.

ПОРА ЛИ "ПЕРЕПИСЫВАТЬ" ФИЗИКУ, И КОМУ ЭТО ДЕЛАТЬ?

Следует ли констатировать, что обрушился один из краеугольных камней и настала пора "переписывать" физику? Приведем мнение одного из основоположников квантовой физики - П.Дирака, высказанное им в 1963 г.: "В физике будущего, конечно, не все три величины h, е и с будут фундаментальными. Из этих величин лишь две могут быть фундаментальными, а третья должна выводиться из этих двух... По-моему, можно вполне определенно предполагать, что мы достигли такого развития физики, когда в картине мира фундаментальными постоянными будут элементарный заряд е и скорость света с, а постоянная Планка - производной величиной". Правда, эти строки писались за год до опубликования гипотезы Гелл-Манна и Цвейга.

Хотя дробный заряд квазичастицы, участвующей в квантовом эффекте Холла, измерен надежно, говорить о прямом наблюдении частицы с таким зарядом пока преждевременно. Вот если бы трек частицы с зарядом, скажем, e/3 удалось зарегистрировать в пузырьковой камере, положение стало бы значительно более определенным.

Конечно, сегодня еще нельзя с уверенностью сказать, что открытие нобелевских лауреатов приведет к пересмотру системы фундаментальных констант, однако приходится констатировать, что произошло событие, которое заставит пересмотреть многое в современных представлениях о мире. Наряду с открытием новых фундаментальных законов сохранения физике довелось пережить и крушение по меньшей мере одного старого, до определенного момента казавшегося непреложным. Речь идет об открытии Ц.Ву и группой ее сотрудников в 1957 г. нарушения закона сохранения четности. Если допустить, что при столь экзотических условиях, как те, которые имели место в эксперименте Штёрмера и Цуи, нарушается (точнее "квазинарушается", поскольку речь идет о квазичастицах) закон сохранения заряда, то ситуация существенно упростится.

И в заключение хотел бы напомнить следующую любопытную хронологию присуждения Нобелевских премий сотрудникам Лаборатории "Bell labs".

1937 г. - К.Дэвиссон - за экспериментальное доказательство волновых свойств электрона (первый нобелевский лауреат лаборатории);

1956 г. - Дж.Бардин, У.Браттейн, У.Шокли - за изобретение транзистора;

1964 г. - Ч.Таунс (совместно с российскими учеными Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым) - за изобретение лазера;

1978 г. - А.Пензиас - за открытие реликтового излучения;

1981 г. - А.Шавлов - за работы в области лазерной спектроскопии;

1996 г. - Д.Ошерофф - за работы в области сверхтекучести;

1996 г. - Р.Кёрл и Г.Крото (также проработавший год в лаборатории "Bell labs") - за работу с фуллереном C₆₀;

1997 г. - С.Чу - за работы в области охлаждения атомов до предельно низких температур;

1998 г. - Х.Штёрмер - за открытие дробного квантового эффекта Холла.

Итого девять премий сотрудникам одной и той же организации. А какова причина того, что частота присуждений Нобелевской премии сотрудникам "Bell labs" значительно превышает средний уровень даже для развитых стран (не говоря уже об организациях)? Причина предельно проста. Компания "Lucent Technologies", в состав которой входит "Bell labs", считает возможным выделять 11% оборота на научные исследования, в том числе 1% оборота, составившего в 1998 финансовом году 26 млрд долл., на фундаментальные научные исследования. Поэтому не исключено, что в будущем именно в этих лабораториях и будут переписывать физику.

При подготовке заметки использовались материалы http://nobel.sl и http://www. bell-labs.com.

.