НОВОСТЬ ДНЯ

Сверхпроводимость молекулы ДНК
В совместной работе российских (Институт микроэлектронных технологий и высокочистых материалов РАН, Черноголовка; Институт биоорганической химии РАН, Москва) и французских (Universite Paris-Sud) ученых была исследована проводимость молекул ДНК, осажденных через субмикронное отверстие между металлическими контактами Re/C. Установлено, что при 1К<T<300К проводимость ДНК является омической. Сопротивление R одной молекулы не превышает 100кОм и очень слабо зависит от температуры. Ниже критической температуры сверхпроводящего перехода контактов (Tc=1K) наблюдается существенное уменьшение R, что авторы объясняют сверхпроводимостью, которая индуцируется в молекулах ДНК за счет эффекта близости. Этот вывод подтверждается увеличением R до исходной величины в магнитном поле с H=1Тл. Оценки показывают, что фазовая когерентность в молекуле ДНК поддерживается на длине несколько сотен нанометров.

A.Yu.Kasumov et al., Scienc,  2001, 291, p.280

Сверхпроводимость в системе Re-B
В Институте физики твердого тела (Черноголовка, Россия) открыты два новых сверхпроводника. По данным измерений элект-росопротивления и магнитной восприимчивости на переменном токе критическая температура одного из них, Re3B, составляет 4.7К, а у другого, ReB2, изменяется от 4.5К до 6.7К в зависимости от реального содержания бора в образце. Структура обоих сверхпроводников отличается от структуры простых слоистых диборидов типа MgB2. Орторомбическая элементарная ячейка Re3B содержит 16 атомов и имеет периоды a=0.28905нм, b=0.93039нм, c=0.72641нм.
G.K.Strukova et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0105293
Contact: G.K. Strukova <strukova@issp.ac.ru>

Экспериментальное подтверждение принципа неопределенности Гейзенберга для “горячих” молекул фуллерена
Принцип неопределенности Гейзенберга лежит в основе квантовой механики. Он является следствием волновой природы материальных объектов. Этот принцип отчетливее всего проявляется в экспериментах с легкими частицами (такими, как электрон). Авторы препринта сообщают об исследованиях прохождения молекул C70 через узкую щель при T=900К. Показано, что выполняется соотношение (DELTA)x? (DELTA) p=h, где(DELTA) x? - ширина щели, (DELTA) p – изменение импульса молекулы, попадающей в первый интерференционный минимум, h – постоянная Планка (квант действия). Это - первое экспериментальное подтверждение соотношения неопределенностей Гейзенберга для частиц с массой в миллионы раз больше, чем масса электрона.
Olaf Nairz et al., http://xxx.lanl.gov/abs/quant-phys/0105061
Contact: Markus Arndt <markus.arndt@univie.ac.at>

СВЕРХПРОВОДНИКИ

Какая страна станет домом для термоядерного реактора ITER?
Япония предпринимает шаги для того, чтобы строительство термоядерного реактора, разрабатываемого по международному проекту ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), осуществлялось на ее территории [1].

История ITER длится уже более 10 лет. В свое время этот проект был инициирован Россией. На ее счету к тому времени было, помимо самой идеи токамака (принадлежащей А.Д.Сахарову), первый мировой опыт двух действующих уникальных машин со сверхпроводящими магнитными системами – токамаков Т-7 и T-15 с магнитными системами на основе сверхпроводящего сплава NbTi и сверхпроводящего интерметаллического соединения Nb3Sn соответственно.

На этапе разработки конструкции в проекте ITER принимали участие Европейский Союз, Россия, США и Япония. Несколько лет назад в связи с ростом финансовых затрат, отдавая предпочтение своим национальным проектам в области термоядерного синтеза, от ITER’а отступились США.

Однако оставшиеся участники упорно продолжали работу. Упорство было вознаграждено. В августе 2000 года в Институте атомной энергии (Япония) был испытан прототип центрального соленоида для ITER’a в самом сложном динамическом режиме. Конструкция полностью оправдала все ожидания, стабильно работая на проектных режимах. Ранее, весной 2000 года, при испытании центрального соленоида в статическом режиме было достигнуто рекордное магнитное поле в 13Тл в большом объеме. Неожиданно крупный успех японских испытаний магнитной системы ITER’а возродил энтузиазм по поводу будущего термоядерного синтеза, как безальтернативного источника энергии будущего. Испытания подтвердили, что проект ИТЭР’а технологически возможен, безопасен и важен с научной и прикладной точек зрения [2].

В текущем году заканчивается этап инженерного проектирования экспериментального реактора ITER и испытание прототипов отдельных его узлов. Остро встает вопрос о месте его строительства. Свои территории предлагают Канада, Франция и Япония. Ранее Япония заявляла, что готова взять на себя 70% расходов на строительство в случае выбора ее территории.

В марте с.г. Национальная комиссия по атомной энергии Японии сообщила о своей поддержке строительства реактора на своей территории, подчеркнув при этом, что это строительство не должно нанести ущерб другим существующим японским исследовательским программам в области ядерного синтеза. Аргументы комиссии в ближайшее время будут направлены в Комитет по научной и технологической политике Японии (CSTP), во главе которого стоит премьер-министр страны.

Если Комитет одобрит предложения, то Япония может быть выбрана местом строительства уже на встрече представителей консорциума ITER в середине 2001 года.

Недостаток естественных энергетических ресурсов делает Японию исключительно заинтересованной страной для размещения ITER’a. “Энергетическое будущее Японии - с ядерным синтезом”, - заявил Hiroyuki Yoshikawa, президент Национального института перспективной науки и технологии для промышленности.

Однако, исследователи, работающие над уже существующими национальными проектами Японии по термоядерному синтезу, неохотно соглашаются с идеей осуществлять столь дорогостоящий международный проект на своей территории, опасаясь возможного урезания их проектных бюджетов.

Два японских института - Исследовательский институт атомной энергии (JAERI) и Национальный институт термоядерных исследований (NIFS), занимаются проблемой магнитного удержания ядерной плазмы и нагревания ее до температур, при которых происходит ядерный синтез. Наиболее перспективный вариант для магнитного удержания плазмы - это токамак со сверхпроводящей магнитной системой, позволяющей при разумных энергозатратах получить достаточно высокие магнитные поля. Существует и другой подход для реализации термоядерной реакции - так называемый инерциальный термояд, в котором на крохотные таблетки ядерного топлива воздействуют мощными лазерными пучками. Соревнование между двумя подходами - магнитным и инерциальным, в последнее время значительно интенсифицировалось. В Японии действует Исследовательский центр по лазерному ядерному синтезу при Университете г. Осака. Директор этого центра Tatsuhika Yamanaka, обеспокоенный планами строительства ITER’a, заявил: “Вне сомнения, мы должны строить ITER, но огромная проблема - в необходимости расщепления бюджета. Центр поддержит идею строительства только при условии, что финансирование всех остальных проектов по ядерному синтезу не будет урезано”.

И, похоже, у Японии хватит средств на все проекты. Директор правительственного ведомства по ядерному синтезу Masato Nakamura заявил: “Япония будет вкладывать деньги во все проекты, которые необходимы”.

По сегодняшним оценкам, весь бюджет ITER’а составляет 3,3 млрд. долл., что легко уложится в японские затраты на науку, составляющие в среднем 40 млрд. долл. в год. Озабоченное энергетическими проблемами японское правительство полно энтузиазма в связи с проектом ITER, будущим реально доступным Японии источником энергии.

Россия, инициатор проекта ITER, продолжает активное участие во всех этапах его реализации [3]. Среди российских участников проекта еще сохраняется надежда (хотя и робкая) на то, что ITER будет строиться именно в России. Так, сверхпроводящую катушку-вставку для центрального соленоида разрабатывали и изготавливали совместными усилиями три российских организации - ФУГП ВНИИНМ им. акад. А.А.Бочвара (Москва), НИИЭФА им. Ефремова (Санкт-Петербург), ВНИИКП (Москва) [3]. Заместитель генерального директора ФУГП ВНИИНМ, член Международного технического консультативного комитета ITER Александр Константинович Шиков заявил: “Да, действительно, ВНИИНМ в свое время выиграл международный тендер на поставку Nb3Sn сверхпроводников (1 тонну) для катушки-вставки ИТЭР. Мы изготовили это количество Nb3Sn два года назад на собственной экспериментальной производственной базе. Затем материал передали во ВНИИКП, где проводники скрутили в жгут, втянули в трубу из титана диаметром 42.7мм и длиной более 100м. Полученный таким образом провод, изогнутый по геликоидальной спирали, был поставлен в НИИЭФА (Санкт-Петербург), где и изготовили саму катушку-вставку и успешно провели предварительные испытания. Размеры этой катушки внушительны – высота 5м, диаметр ~ 2м. Российская катушка специальным авиарейсом улетела в Японию и 21 мая с.г. успешно приземлилась в аэропорту Токио. Из аэропорта катушку перевезут в JAERI, где будут проведены ее испытания в составе центрального соленоида ITER”.

Один из разработчиков сверхпроводящих магнитных систем для российских токамаков Т-7 и Т-15, директор ИСФТТ РНЦ “Курчатовский институт” Николай Алексеевич Черноплеков напомнил: “ITER – это, конечно, только экспериментальный реактор, хотя очень продвинутый к цели промышленного источника энергии. Оптимистичный прогноз – реальная термоядерная электростанция начнет давать электроэнергию потребителю к 2050 году, как раз успевая к исчерпанию "дешевых" запасов нефти и газа (при условии, что ITER будет построен в обозримые сроки и оправдает расчеты физиков)”.

Неожиданным, но, без сомнения, заслуженным событием для российских энтузиастов термояда станут "Дни ИТЭР в Москве", которые по решению Минатома России будут проведены 7-8 июня с.г.

  1. Nature, 2001, 410, p 856
  2. http://perst.isssph.kiae.ru/inform/perst/2000/p21/index.html
  3. http://perst.isssph.kiae.ru/inform/perst/p103/index.html

НАНОСТРУКТУРЫ

Эффективный ИК детектор на основе квантового эффекта Холла
Известно, что в условиях наблюдения целого квантового эффекта Холла (IQHE) при реализации холловской "ступеньки" на зависимости поперечного сопротивления Rxy продольная компонента Rxx практически "зануляется", по крайней мере становится исчезающе малой по сравнению с ее значением в отсутствии магнитного поля. Используя это обстоятельство, можно сконструировать высокочувствительный детектор излучения, что и продемонстрировали недавно японские исследователи (Y.Kawano et.al., J.Appl.Phys., 2001, 89, р.4037). Им удалось изготовить инфракрасный датчик на основе гетероструктуры GaAs/AlGaAs и исследовать его отклик на циклотронное излучение из полупроводника n-типа InSb в инфракрасном диапазоне. Подобрав магнитное поле так, чтобы были залиты ровно две зоны Ландау (соответственно вторая холловская "ступенька"), ученым удалось наблюдать отклик устройства с рекордной чувствительностью ~108В/Вт. Более того, оказалось, что можно легко настраивать чувствительность прибора на выбранную частоту детектируемого излучения, подбирая различную плотность электронов, которая легко варьируется магнитным полем в условиях квантового эффекта Холла. Эта работа является ярким примером того, что исходно чисто фундаментальные исследования квантовых эффектов Холла со временем начинают давать ощутимый вклад и в прикладные области. В.А.Кашурников

Монте-Карло решает квантовые уравнения
Кремниевые полевые транзисторы (MOSFET), используемые в современных интегральных схемах, уже подошли к тому рубежу, когда их моделирование с помощью различных гидродинамических моделей, основанных на уравнениях для моментов функции распределения, невозможно. Приходится решать кинетическое уравнение Больцмана. Наиболее удобным является метод частиц, или по-иному, метод Монте-Карло, поскольку используется датчик случайных чисел для процедуры рассеяния частиц.

Для учета квантовых эффектов необходимо использовать другие подходы, нежели уравнение Больцмана. Наиболее близким к нему является уравнение Вигнера, которое переходит в уравнение Больцмана при . С другой стороны, без рассеяния уравнение Вигнера является полным эквивалентом нестационарного уравнения Шредингера. Очень соблазнительно введенную Вигнером функцию f(k,x,t) считать функцией распределения и решать уравнение излюбленным методом Монте-Карло. Но не тут-то было. Для этой функции не существует теоремы о положительной определенности, а без нее она не может трактоваться как вероятность. Причиной отрицательности функции Вигнера может быть, естественно, некое типично квантовое явление, а именно квантовая интерференция. В тех ситуациях, когда она важна, например, при образовании связанных или квази-связанных состояний, решение уравнения Вигнера с помощью метода Монте-Карло неправомочно. Сказанное выше хорошо знакомо всем “монтекарлистам”. Еще лет двадцать назад возникло желание пробиться в область квантовых явлений.

Оказывается, что в некоторых случаях, когда интерференция несущественна, метод Монте-Карло можно все-таки приспособить для решения квантового кинетического уравнения Вигнера, например, для описания туннелирования через одиночный барьер. Это и проделали ученые из University of Illinois (США).

В общем случае “полевой” член в уравнении Вигнера, как и следовало бы ожидать, оказывается очень сложным. В дифференциальной форме он содержит все производные функции Вигнера по волновому вектору k и все производные потенциала по координате x. Поэтому пришлось прибегнуть к некоторым упрощениям, позволяющим ввести т.н. квантовую силу. Аналогичный подход был уже ранее развит при решении гидродинамических уравнений с квантовым давлением.

J.Appl.Phys. 2001, 89, pp.4023-4029

Планы Лихарева
Интернет позволяет предположить, что в августе с.г. Константин Лихарев (State University of New York, Stony Brook) выступит в Хельсинки на конференции ECCTD’01 с докладом, посвященным нейросетям на основе одноэлектронных транзисторов. Эти транзисторы, как известно, позволяют достичь рекордной плотности упаковки, а быстродействие для нейронных сетей пока не столь актуально. Ведь, как известно, и мозговые клетки довольно медленные, однако позволяют обрабатывать сложнейшую информацию, например, по распознаванию образов. Может быть, именно внедрение в нейросети и станет звездным часом одноэлектронного транзистора.

\\Likharev\likharev\Nano\SELINA\Abstracts\ECCTD01\Preprint 013101.doc

Одноэлектронный транзистор для квантового компьютера
Сотрудники Chalmers University of Technology, Goteborg (Швеция) экспериментально изучили возможность регистрировать с помощью радиочастотного одноэлектронного транзистора (rf-SET) состояние зарядового квантового бита. Измеренная чувствительность транзистора к заряду составила
6.3? 10-6e/vГц, что должно позволить обнаруживать наличие или отсутствие куперовской пары в сверхпроводящем кубите, основанном на эффекте Джозефсона.

Phys. Rev. Lett. 2001, 86, p.376

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Нанотрубки в имоголите известны уже давно
Нанотрубки были известны и изучены задолго до их сенсационного открытия в углероде, подтвердившего истинность правила, что новое - это хорошо забытое старое. Давно известны природные слоистые силикаты, образующие нанотрубчатые структуры (хризотилл) и даже одностенные нанотрубчатые структуры (алюмосиликат имоголит). Структура природного минерала имоголита была установлена еще в 1962 г. [2], но до сих пор он не привлекал внимания физиков и материаловедов. L.A.Bursill et al [1] решили изучить аналогию между имоголитом и углеродными нанотрубками.

Имоголит - гидратированный алюмосиликатный минерал с уникальной волокнистой структурой; он состоит из пучков длинных тонких одностенных трубок диаметром 2нм. Структуру имоголита можно представить эмпирической формулой (НO)3Al2O3SiOH, отражающей последовательность расположения атомов от внешней поверхности внутрь [3]. Стенки трубок состоят из непрерывных монослоев гиббсита Al(OH)3, у которого гидроксильные группы на внутренней поверхности заменены на группы O3SiOH (каждая группа O3SiOH замещает три ОН-группы). Параллельные пучки трубок после просушки при 100-2000С плотно упакованы, расстояние между центрами составляет 2.7нм.

Вместе с имоголитом обычно встречается минерал аллофан, также гидратированный силикат алюминия [4,5], состоящий из полых сфероидальных частиц с диаметром в диапазоне 3.5-5.0нм. Синтетический имоголит, родственный минералу, имеет трубчатую структуру с внешним диаметром трубок 2.4нм и внутренним - 0.9нм.

Авторы синтезировали имоголит химическим путем по методу, описанному в [6]. Для изучения структуры трубок они использовали методы электронной дифракции, трансмиссионной электронной микроскопии и другие. Первоначальная цель их исследований имоголита и аллофана - изучить и развить аналогию между углеродными нанотрубками и трубками имоголита и между сферическими фуллеренами и частицами аллофана, соответственно.

Оказалось также, что большой интерес представляют возможные применения имоголита. В отличие от углеродных нанотрубок, которые бывают и однослойными, и многослойными, к тому же имеют большой разброс по диаметру, имоголит всегда имеет только один тип структуры и не обладает свойствами хиральности. Таким образом, его физические свойства должны лучше воспроизводиться, чем для углеродных нанотрубок.

Одностенные имоголитовые трубки с хорошо выраженной цилиндрической структурой могут быть выращены с разнообразными текстурами, от случайно ориентированных единичных трубок до пересекающихся пучков или плотно упакованных почти сплошных массивов (упаковки в стержни) и жидкокристаллических лиотропных мезофаз. Конкретная упаковка зависит от используемых условий получения. Внутрь трубок, в их стенки и на наружную поверхность можно вводить различные добавки и получать различные модификации имоголита химическим путем, тем самым расширяя возможности получения материалов с интересными физическими и химическими свойствами. Уже синтезированы разноообразные текстуры, где волокнистые пленки имоголита являются носителем металлических наночастиц.

По мнению авторов, наиболее перспективными могут быть следующие исследования и разработки:

Транспортные свойства различных текстур имоголита (термический и электрический транспорт вдоль оси трубки; сложная сеть возможных путей транспорта электронов (дырок) и фононов в местах пересечений трубок; квантово-механическое туннелирование между трубками, разделенными нанопромежутками, и напоминающими сеть нейронов). О.Алексеева

  1. Phil. Mag. A, 2000, 80, ,No 1, 105-117
  2. Soil Sci Plant Nutr., 1962, 8, 22
  3. Nature,1972, 240, 187
  4. Am.Mineral, 1976, 61, 379
  5. Clay Minerals, 1977, 12, 289
  6. J.Chem.Soc., Chem.Commun., 1977, 463
  7. Clay Minerals, 1983, 18, 459

Эмиссионный цилиндрический катод из нанотрубок
Экспериментальные плоские экраны на основе углеродных нанотрубок с пониженным напряжением питания и уровнем энергопотребления являются предметом многочисленных разработок и, похоже, близки к коммерческому варианту. В опубликованной недавно работе, выполненной в Институте экспериментальной физики г. Лозанны (Швейцария) описан новый тип полевого эмиссионного катода на нанотрубках, в котором катод имеет цилиндрическую структуру. При этом он эмитирует электроны, распространяющиеся во всех радиальных направлениях.

Подложкой для слоя нанотрубок служила проволока (сплав Fe-Al-Cr) диаметром 1мм и длиной 7см, на которую наносился раствор Fe(NO3)3 ·9H2O, содержащий железо, играющее роль катализатора. Нанотрубки выращивали в цилиндрическом кварцевом реакторе диаметром 12мм в потоке ацетилена (20мл/мин) и азота (80мл/мин) при температуре 720оС и атмосферном давлении. В результате синтеза на поверхности цилиндрической подложки осаждались многослойные нанотрубки изогнутой формы диаметром ~20нм.

Для исследования эмиссионных свойств полученного эмиттера использовали цилиндрический алюминиевый анод радиусом 21мм и длиной 5см, помещенный в вакуумную камеру при давлении
~10-10 бар. ВАХ эмиттера, измеренная в области напряжений ниже 500В, хорошо соответствует классической зависимости Фаулера-Нордгейма. Плотность тока эмиссии 1мА/см2 достигается при напряжении 1.1кВ, что является неслыханным доселе достижением для межэлектродного расстояния ~2см. Такой результат объясняется, в частности, цилиндрической геометрией электродов, благодаря которой напряженность электрического поля вблизи катода возрастает в ln(r2/r1) раз по сравнению со случаем плоской геометрии (r1 – радиус катода, r2 – радиус анода). Обработка ВАХ эмиттера в предположении, что работа выхода электрона для нанотрубки близка к 5эВ, позволила оценить фактор полевого усиления нового эмиттера, равным 23000.

Полученный эмиттер использовали в качестве катода люминесцентной осветительной лампы. Анодом служила цилиндрическая стеклянная трубка, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором. При напряжении на лампе 5.4кВ плотность тока эмиссии на катоде составила 0.5мА/см2, что соответствует плотности тока анода 0.06мА/см2. При этом яркость свечения люминофора достигала значения 10000 кандела/м2, что сопоставимо с параметрами коммерческих люминесцентных ламп. Однако, в отличие от традиционных люминесцентных источников света, цилиндрический нанотрубный источник не содержит экологически вредной ртути, быстро разгорается и легко гасится. А.В.Елецкий

Appl. Phys. Lett. 2001,78, 2775

Двумерные матрицы углеродных нанотрубок на кремниевой подложке
Проблема массовой технологии выращивания большого числа одинаковых углеродных нанотрубок на большой площади актуальна, в частности, для создания эмиссионных катодов. Существенного прогресса здесь удалось достичь объединенной группе исследователей из университетов Пекина (Китай) и Стенфорда (США). В качестве подложки они использовали пластины либо из пористого, либо из гладкого кремния. Образцы пористого кремния диаметром 5см, имеющие удельное сопротивление в диапазоне от 0.008 до 0.018 Ом·см, были получены в результате электрохимического травления пластин n+-Si(100), легированных фосфором с высокой концентрацией. Травление производили течение 5 мин. в тефлоновой ячейке при использовании платинового катода, галогенной лампы и смеси 50%-ного водного раствора плавиковой кислоты и этанола (1:1). Плотность тока анодизации поддерживали на уровне 10мА/см2. В результате травления на макропористом слое подложки формировался нанопористый слой с 3нм порами. На подложки обоих типов (пористую и "контрольную" гладкую) методом электроннолучевого испарения осаждали Fe пленку толщиной 5нм через теневые маски, содержащие квадратные отверстия (размером 10 – 250мкм с шагом 50 – 200мкм) и отжигали на воздухе при 300° С в течение нескольких часов. Нанотрубки осаждали из смеси горячего аргона и этилена, которую продували со скоростью 1000см3/мин. в течение 15 – 60 мин. через цилиндрическую печь, нагретую до 700° С. В результате на поверхности подложки формировалась матрица из регулярно расположенных вертикально ориентированных блоков многослойных нанотрубок диаметром 16нм

Как показывают наблюдения, выполненные с помощью сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов, размер каждого блока в точности соответствует размеру квадратного отверстия, заполненного Fe пленкой.

Наряду с кремниевыми подложками n+-типа в эксперименте использовали также подложки р-типа, полученные легированием бором и имеющие удельное сопротивление в диапазоне 5 – 10 Ом·см. Матрицы нанотрубок, выращенные на таких подложках, незначительно отличаются от описанных выше, однако в этом случае некоторые наиболее высокие блоки нанотрубок ориентированы не вертикально, а под некоторым углом по отношению к плоскости подложки. Кроме того, полученные таким способом нанотрубки, отличаются большим диаметром, более высокой плотностью дефектов и наличием частиц катализатора на вершинах некоторых блоков. Интересно отметить, что после удаления блоков нанотрубок с поверхности подложки р-типа, последняя сохраняет способность к повторному росту ориентированных нанотрубок при химическом осаждении из паров этилена. Отсюда следует, что механизм роста вертикально ориентированных нанотрубок в рассматриваемых условиях связан с процессами на поверхности подложки, а не на вершине нанотрубки.

Для исследования эмиссионных характеристик были вырезаны пять квадратных блоков нанотрубок со стороной 250мкм и высотой 130мкм. Анодом служила покрытая алюминием кремниевая подложка, расположенная на расстоянии 200мкм от вершин блоков нанотрубок. Плотности тока эмиссии 1мА/см2 и 10мА/см2 достигаются при приложенных напряжениях ~250В и 400В соответственно. Ток эмиссии стабилен в течение 20 часов. Эти параметры автоэлектронной эмиссии сопоставимы с лучшими образцами многослойных нанотрубок, синтезированных электродуговым методом. Однако, в отличие от последнего, метод химического осаждения открывает возможность масштабирования процесса для подложек большой площади. А.В.Елецкий

Physica E, 2000, 8, p.179

ВЕСТИ С КОНФЕРЕНЦИЙ

NATO Advanced Study Institute “Complexity from Microscopic to Macroscopic Scales:
Coherence and Large Deviations” 
(Geilo, Norway, April 17-27, 2001)
При формировании тематики школы оргкомитет попытался объединить вместе самые различные области современной физики от мезоскопики до все более популярной экономфизики. Программным выступлением, призванным охарактеризовать основную идею школы, по-видимому, должен был быть доклад Robert’а Laughlin’а из Стэнфорда с несколько необычным названием “The Theory of Everything”, т.е. “Теория Всего”. К сожалению, сам докладчик не приехал, но прислал текст выступления, написанный совместно с не менее известным David’ом Pines’ом. Итак, речь идет о возможности написания таких уравнений, которые бы объяснили и все наблюдавшиеся в природе явления, и те, которые еще будут открыты. Как утверждают авторы, такие уравнения уже имеются – это соотношения стандартной нерелятивистской квантовой механики. Конечно, они не описывают все на свете, например, гравитацию или скорости, близкие к световым. Но для нашего повседневного мира – это фактически Теория Всего. Однако особой пользы от этого для нас нет, поскольку решить эти уравнения можно только для небольшого числа частиц (изолированные атомы, несколько молекул и т.п.). Если число элементов в квантовомеханической системе превышает 10, то даже численные расчеты становятся сегодня нереальными. Значит, нужны некоторые приближения, физические соображения и догадки. Получаемые при этом уравнения не выводятся из первых принципов, а скорее являются продуктом физической интуиции. Вот на этом пути и возник, как считают авторы, тупик.

В качестве характерного примера они приводят высокотемпературную сверхпроводимость, которая, несмотря на огромные усилия, так и остается загадкой для физического сообщества. В вышедшей в 1997 году книге “The End of Science” John Horgan утверждает, что наша цивилизация впервые столкнулась с принципиальными ограничениями на пути получения новых знаний, настолько важными, что золотой век науки пришел к концу. На самом же деле, как говорят Laughlin и Pines, более невозможно решать задачи путем огрубления и упрощения, т.е. движения от сложного к простому. Физика XXI века, по их утверждению, – это физика сложных систем.

Именно о таких объектах и шла речь на школе. К сожалению, Laughlin и Pines так и не определили понятия “сложности” (“complexity”). Как стало ясно из последующих докладов, в настоящее время существует несколько десятков определений “сложности” – и ни одного общепринятого. Поэтому выбор тематики докладов был чисто субъективным и отражал не столько предмет нового направления – “физики сложных систем”, сколько широту кругозора организаторов школы.

Остановимся более подробно на тех сообщениях, которые наиболее близки научным интересам читателей ПерсТ'а. Два доклада были посвящены проблеме конечного времени сбоя фазы (dephasing time) в мезоскопических проводниках при нулевой температуре. Бурная дискуссия по этому поводу началась с момента выхода в свет экспериментальной публикации [1]. Основной вопрос заключается в том – могут ли при абсолютном нуле существовать такие процессы, при которых система “забывает” свою квантовомеханическую фазу. Стандартный теоретический ответ – нет. Действительно, при T=0 система, казалось бы, не может обмениваться энергией ни с термостатом, ни с другими подсистемами, поскольку все они находятся в наинизших состояниях.

Однако все не так просто. Marcus Buttiker из Женевы говорил о том, что столь простая трактовка обусловлена нашим привычным взглядом на термостат как на бесконечно большую тепловую ванну, которая воздействует на исследуемый мезоскопический объект, а тот, в свою очередь, никак не влияет на состояние термостата. На самом же деле, мы имеем две взаимосвязанные квантовомеханическим образом системы, состояние которых не может быть описано просто произведением их двух состояний. Ограничимся анализом только одной ее части – изучаемого проводника. При нулевой температуре из-за вакуумных флуктуаций его состояние будет флуктуировать, периодически “забывая” о своей фазе. Buttiker рассмотрел и решил такую модель. Представим себе счеты, в которых кости на отдельных спицах связаны друг с другом пружинками. Крайне левая кость – это наша система, все остальные имитируют термостат. Небольшое отклонение “системы” от положения равновесия приводит к колебаниям всего комплекса система+термостат. В такой модели оказывается, что и при T=0 из-за нулевых колебаний фаза “системы” будет систематически сбиваться.

Один из соавторов экспериментальной работы [1] P.Mohanty из California Institute of Technology попытался доказать опытным путем, что эффект действительно имеет место. Собрав воедино и проанализировав большое число различных экспериментов, он убедительно продемонстрировал насыщение температурной зависимости времени сбоя фазы по мере приближения к нулю. Эффект наблюдается и в нульмерных квантовых точках, и в одномерных металлических проволочках, и в двумерном электрическом газе, и в углеродных нанотрубках. При этом характерное время сбоя фазы меняется на четыре порядка величины (от 10-3 до 10 наносекунд), а величина температуры, при которой насыщение наступает, - на три порядка (примерно от 0.01 до 10К).

Заслуга самих авторов работы [1] заключается в том, что они тщательно проверили и отвергли ряд факторов, способных вызвать расфазировку электронного состояния: нагрев измерительным током, магнитные примеси, шум от измерительной аппаратуры, внешний высокочастотный шум, двухуровневые системы. Хотя, конечно, кое-что еще осталось – скажем, гравитация или космические лучи. Однако тут уместно привести высказывание нобелевского лауреата Ivar’а Giaever’а, участвовавшего в работе школы. По поводу подобных замечаний он высказался так: “Так как я родом из Норвегии, то меня часто спрашивают – а имеются ли в Норвегии тролли? Я отвечаю – нет. А они говорят – а вы все тщательно проверили? А под тем камнем вы смотрели? А этот камень вы переворачивали?”

Итак, даже при нулевой температуре время сбоя фазы конечно и, как указывалось выше, довольно мало. Как утверждал Daniel Loss из Университета Базеля, в этом плане лучше работать не с зарядами, а со спиновыми степенями свободы, поскольку в последнем случае характерные времена могут достигать микросекунд, а расстояния, на которых спины остаются фазово-когерентными, - сотни микрон. Loss вместе с соавторами разработали все необходимые базовые элементы квантового компьютера на основе спиновых состояний в квантовых точках. Он уверен в том, что именно электронный спин является наиболее естественным и перспективным кандидатом для создания кубита. Детальный обзор работ, выполненных в Базеле по данной проблеме, и необходимую библиографию можно найти в публикации [2].

Как отмечалось в другом докладе (Laurens Molenkamp, University of Wurzburg, Germany), развитие спинтроники требует, по крайней мере, на первом этапе интеграции с уже существующей полупроводниковой техникой. При этом хотелось бы иметь полностью полупроводниковые устройства, использующие спин-поляризованную инжекцию электронов. Каким образом можно осуществлять такую инжекцию в немагнитный полупроводник? Как утверждает Molenkamp, использование ферромагнитных металлов не эффективно из-за рассогласования сопротивлений металлического инжектора и полупроводника. Лучше всего для этой цели подойдут магнитные полупроводники. Эксперименты, выполненные в Вюрцбурге [3], показали, что магнитные полупроводники типа А2В6 обеспечивают до 90% спин-поляризованного вклада в суммарный ток.

Движение вихревой структуры в сверхпроводниках II рода обсуждалось в лекциях Harald’а Hauglin’а из Университета Осло и Kevin’а Bassler’а из Университета Хьюстона. С помощью модифицированного магнитооптического метода первый экспериментально наблюдал поведение отдельных вихрей в монокристалле NbSe2 в реальном времени, в то время как Bassler занимался моделированием динамики разупорядоченной решетки вихрей и ее проявлением в вольт-амперных характеристиках сверхпроводящих образцов. [4].

На этом твердотельная тематика закончилась, и оставшаяся часть школы была посвящена различного рода сложным макрообъектам. Остановимся только на двух экстремальных (т.е. наиболее удаленных от привычной физики) докладах. Tamas Vicsek из Университета Будапешта, соруководитель настоящей NATO ASI, говорил о динамике коллективного поведения группы объектов (например, стаи птиц). Формально упорядоченность в движении этой группы можно описать введением условия, при котором данный объект стремится двигаться в том направлении и с такой скоростью, как его ближайшие соседи. Самого Vicsek’а в данном случае интересовала паника. Как она возникает, и как уменьшить ее нежелательные последствия? Возьмем замкнутое двумерное пространство, из которого есть один узкий выход. Внутри пространства находится группа шариков, которые в своем движении "подражают" соседям. Зададим внешнее возбуждение и посмотрим, как шарики будут покидать "помещение". Именно такую динамику в реальном времени и показывал лектор. В принципе, ответ нам хорошо известен - возникает паника, вместо того, чтобы по очереди выйти через узкое отверстие, шарики стремятся покинуть "помещение" одновременно, в "дверях" начинается давка – и часть шариков оказывается "пострадавшими". Интересно, что эта, казалось бы, чисто абстрактная деятельность может иметь и определенный практический смысл. Как выяснилось при моделировании паники, если перед "дверью" поместить цилиндрическую преграду, то движение "толпы" становится более упорядоченным, и число "жертв" заметно снижается.

Прежде чем говорить об экономфизике, Joseph’а McCauley из Университета Хьюстона высказал свои соображения относительно того, почему физики занялись экономикой. По его утверждению, дело обстоит следующим образом. В области статистической физики работало достаточно много людей, однако в последнее время поле их деятельности значительно сузилось. Пришлось искать новые применения своим знаниям. Американские физики ушли, в основном, в биологию, а европейские занялись экономфизикой, состояние дел в которой можно узнавать, регулярно посещая сайт: http://www.unifr.ch/econophysics/.

Лекция McCauley содержала массу критических элементов и мало положительных. Больше всего досталось от него классическим и неоклассическим экономистам. Последние уверены в том, что, говоря физическим языком, экономика находится в равновесном состоянии, небольшие отклонения от которого (например, рост спроса на какой-то товар) тут же подправляет “невидимая рука Адама Смита” (выражение McCauley) увеличением объема производства и повышением цены. На самом же деле, цены в свободном рынке неустойчивы относительно и шума, и роста или падения ожиданий. Стабилизирующая “рука Адама Смита” не работает, и реальные рынки – это сложные, далекие от равновесия стохастические динамические системы (см. статью автора [5] с забавным названием “The futility of utility: how market dynamics marginalize Adam Smith”).

Закончить этот обзор хочется цитатой, заимствованной из доклада McCauley. Известный физик Steve Hawking сказал так по поводу наступившего века: “Я думаю, что он будет столетием сложных систем”. Оправдаются ли эти предсказания, покажет следующая школа, которую планируют провести на горнолыжном курорте Йейло (примерно так произносится по-норвежски Geilo) через два года - зимой-весной 2003 г. М.Белоголовский

  1. P.Mohanty et al. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 3366
  2. G.Burkard et al., Fortschr. Phys. 2000, 48, 965
  3. R.Fiederling et al. Nature 1999, 402, 787
  4. K.E.Bassler et al., cond-mat/0009278
  5. J.L.McCauley, Physica A 2000, 285, 506

НОВОСТИ ФИЗИКИ В БАНКЕ ПРЕПРИНТОВ

Первые монокристаллы MgB2 вырастили японские исследователи
Открытие нового сверхпроводника MgB2 с Tc=39К поставило перед исследователями ряд вопросов: к чему ближе этот сверхпроводник по своим свойствам – к медно-оксидным ВТСП или к низкотемпературным металлическим сверхпроводникам? каков механизм сверхпроводимости? насколько реальна перспектива его практического использования?

Для ответа на эти вопросы необходимо выполнить эксперименты на качественных образцах, прежде всего – монокристаллах. В препринте японских физиков из National Institute for Materials Science и Japan Science and Technology Corporation сообщается об изготовлении первых монокристаллов MgB2 и исследовании некоторых их свойств. Образцы имели форму пластин с размерами 0.5х0.5х0.02мм3.

По данным рентгеновской дифракции они имеют гексагональную кристаллическую структуру с периодами a=0.3047нм и c=0.3404нм. Температура начала диамагнитного перехода составила 38.6К. Существенное различие кривых намагничивания при различных направлениях магнитного поля свидетельствует об анизотропии магнитных характеристик MgB2. Определены температурные зависимости Hc1ab, Hc1с, Hc2ab, Hc2с. Экстраполяция к T=0 дает Hc1ab(0)=38.4мТл, Hc1c(0)=27.2мТл, Hc2ab(0)=25.5Тл, Hc2c(0)=9.2Тл. Расчет по формуле Гинзбурга-Ландау приводит к следующим значениям длин когерентности: (xi) ab(0)=6.5нм и (xi) c(0)=2.5нм. Оценка отношения эффективных масс дает mab/mc приблизительно равно0.15.
M.Xu et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0105271
Contact: Mingxiang Xu <xu.mingxiang@nims.go.jp

Многослойные углеродные нанотрубки для наноэлектроники
Электронные устройства следующего поколения будут изготавливаться на "молекулярном уровне". Одним из перспективных кандидатов для использования в наноэлектронике являются многослойные углеродные нанотрубки. При низких частотах их транспортные свойства определяются только внешним углеродным слоем, а при высоких вклад в проводимость дают также и внутренние слои. Авторам препринта удалось изготовить из нанотрубок различные наноэлектронные "детали", в том числе одноэлектронные транзисторы с уровнем шума 6? 10-6e/Гц1/2 при частоте 45Гц, линии передачи с импедансом порядка 5кОм и омические компоненты с сопротивлением 200кОм на длине 2 микрона.
M.Ahlskog et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0104256
Contact: Pertti Hakonen <pjh@neuro.hut.fi

Свойства интерметаллического сверхпроводящего перовскита MgCNi3
Исследованы свойства недавно открытого сверхпроводящего перовскита MgCNi3 с Tc=7К. На основании анализа фазовой диаграммы в координатах H-T сделана оценка длины когерентности (xi) =4.6нм. При T<Tc в туннельном спектре имеется четко выраженная щелевая особенность. Сверхпроводящая щель (DELTA) (0)=2.9мэВ, что соответствует 2(DELTA) (0)/Tc приблизительно равно10 (режим сильной связи). Получено указание на существование андреевских поверхностных связанных состояний, что говорит об отличии симметрии спаривания от s-волновой.
Z. Q. Mao et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0105280
submitted to Phys. Rev. Lett.
Contact: Zhiqiang Mao <mao@phys.psu.edu>

Квантовая сила в сверхпроводниках
Дано объяснение противоречию между экспериментом Литтла-Паркса и фундаментальными законами, включая закон Ома. Показано, что литтл-парксовские осцилляции сопротивления контура являются экспериментальным свидетельством нехаотического броуновского движения. Сила Ланжевена связана с изменением циркуляции импульса сверхпроводящих пар из-за эффекта квантования. Ее средняя величина может быть отлична от нуля. Нехаотическое броуновское движение противоречит принципам, на которых основан Второй закон термодинамики. Следовательно, эксперимент Литтла-Паркса говорит о возможности нарушения этого закона. Автор отмечает, что в последние годы было много сообщений о нарушении Второго закона термодинамики в различных квантовых системах.
A.Nikulov, http://xxx.lanl.gov/abs/physics/0104073,
to be published in Phys. Rev. B
Contact: Nikulov Alexey <nikulov@ipmt-hpm.ac.ru>

О возможности измерения времени релаксации единичного спина в сверхпроводнике
При низких температурах время декогеренции локализованного спина очень велико, поскольку основные каналы спиновой релаксации “закрыты”. Для непосредственного определения времени спиновой релаксации авторы препринта предлагают использовать сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Это можно сделать уже на современном уровне развития СТМ. Обсуждается также возможность использования СТМ для обработки квантовой информации.
J.Smakov et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0104499
Contact: Jurij Smakov <jurijus@theophys.kth.se>

Физика воды при комнатной температуре: инверсия заряда в химических и биологических системах
Обсуждается физика сильно взаимодействующих заряженных систем, функционирующих в воде при комнатной температуре. Описание этих систем выходит за рамки стандартных теорий среднего поля, как линейных (Дебая-Хюккеля), так и нелинейных (Пуассона-Больцмана). Основное внимание уделено эффекту инверсии заряда – недавно обнаруженному явлению, которое заключается в изменении знака эффективного заряда частицы ("макроиона") в результате того, что эта частица притягивает к себе "чересчур много" противоположно заряженных ионов. Теория инверсии заряда основана на идее сильно коррелированной жидкости из адсорбированных на частице ионов, аналогичной вигнеровскому кристаллу. Эта теория имеет множество приложений в биологии и химии. Она позволяет, в частности, описать дрейф молекулы ДНК при электрофорезе.
A.Yu.Grosberg et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0105140
Contact: Alexander Grosberg <grosberg@physics.umn.edu

Динамические характеристики и корреляции в Интернете
Проанализированы топологические и динамические свойства реальных интернетовских карт за трехлетний временной интервал. Исследованы корреляционные функции высоких порядков. Показано, что Интернет характеризуется нетривиальными корреляциями между узлами Сети и различными динамическими режимами. Отмечена важная роль иерархии узлов и старения как фундаментальных элементов структуры и роста Интернета. Обсуждаются новые подходы к моделированию эволюции Интернета.
R.Pastor-Satorras et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0105161
Contact: Romualdo Pastor-Satorras <romu@sinera.upc.es>

КОНФЕРЕНЦИИ

16-22 сентября 2001, Алушта, Крым, Украина. VII Международная конференция "Водородное материаловедение и химия гидратов металлов" (ICHMS'2001)

Тезисы докладов должны быть направлены до 30 мая 2001 года

Тематика конференции

  1. Гидриды металлов (получение,физико-химичес-кие свойства, использование гидридов металлов)
  2. Фуллереноподобные материалы и хранение водорода (получение фуллеренов и углеродных наноматериалов; физико-химические свойства углеродных наноматериалов; хранение водорода в углеродных наноматериалах)
  3. Материалы для сепараторов водорода и топливных элементов (синтез протонных материалов; неорганические мезопористые материалы для катализа и хранения энергии)
  4. Водородная энергетика и проблемы окружающей среды

Адрес для контактов:

03150, Украина, Киев-150, а/я 195,

Программный комитет конференции ICHMS’2001,

Тел. / Факс: 38 (044) 444-0381

e-mail : shurzag@materials.kiev.ua

btarasov@icp.ac.ru

14-19 July 2002, Florence, Italy. International Conferences on Modern Materials and Technologies (CIMTEC 2002).

CIMTEC will include “3rd Forum on New Materials”? which consist of

Contact:

Phone: +0546 22461/664143

Fax: +0546 664138/663362

Web site: http://www.dinamica.it/cimtec


Редактор С.Т.Корецкая,
тел: (095) 930 33 89
perst@isssph.kiae.ru

В подготовке выпуска принимали участие:
О.Алексеева, М. Белоголовский, В.Вьюрков, А.Елецкий, Ю.Метлин, Л.Опенов