LIBRARY.UA - цифровая библиотека Украины, репозиторий авторского наследия и архив

Зарегистрируйтесь и создавайте свою авторскую коллекцию статей, книг, авторских работ, биографий, фотодокументов, файлов. Это удобно и бесплатно. Нажмите сюда, чтобы зарегистрироваться в качестве автора. Делитесь с миром Вашими работами!

МЕТАЛЛЫ В НОВОМ РАКУРСЕ

Член-корреспондент РАН В. В. УСТИНОВ, директор Института физики металлов Уральского отделения РАН, Доктор физико-математических наук В. Е. СТАРЦЕВ, главный научный сотрудник того же института



Во многих научных центрах, в том числе в Институте физики металлов Уральского отделения РАН, достигнуты существенные успехи в рафинировании широкого класса веществ.

Благодаря развитию химических и физических методов глубокой очистки металлов от примесей стали реальностью металлические монокристаллы с содержанием примесей не более 10 -5 - 10 - 7 %. В них при охлаждении от комнатной до температуры жидкого гелия (4,2 К) транспортная длина свободного пробега электронов проводимости достигает нескольких миллиметров. Значит, они, подобно электрону в вакууме, без столкновений могут проходить расстояния, сравнимые с размерами самого монокристалла. Например, в соответствующе подготовленном образце ультрачистого вольфрама электрическое сопротивление уменьшается в 150 тыс. раз, а длина свободного пробега электронов составляет около 6 мм. Это означает: если его поместить в электрическое поле, то электроны могут двигаться практически свободно от одного электрического контакта к другому.

Под действием магнитного поля в металлическом кристалле формируются электронные траектории. Их форму задает геометрия поверхности Ферми(*) конкретного металла, а размеры регулируют величина и направление магнитного поля. Однако в отличие от свободных электронов в вакуумных устройствах (трубках телевизоров, осциллографов и т.д.), где из-за электростатического кулоновского отталкивания нельзя повысить их концентрацию свыше 10 10 э/см 3 , в металлах она составляет 10 22 э/см 3 . Это позволяет ожидать весьма сильные электронные эффекты, которые в перспективе можно использовать для создания элементов криогенных электротехнических устройств.

Так, в ультрачистом монокристалле вольфрама, охлажденном до температуры жидкого гелия, в магнитном поле напряженностью 150 кЭ его электрическое сопротивление возрастает более чем в 30 млн. раз, приближаясь по величине к полупроводниковым материалам, что поможет разработать датчики, измеряющие магнитное поле в условиях низких температур.

Или, скажем, статический скин-эффект. Он заключается в том, что в условиях низких температур и достаточно сильных магнитных полей электрический ток в металлическом проводнике концентрируется в его приповерхностном слое толщиной порядка ларморовского радиуса(*). Прямым доказательством

--------------------------------------------------------------------------------
* Поверхность Ферми - изоэнергетическая поверхность в импульсном пространстве, отделяющая занятые электронные состояния от свободных. Ее форма определяется кристаллографической симметрией металла и числом валентных электронов (прим. авт.).

* Ларморовский радиус - радиус орбиты электрона проводимости в постоянном однородном магнитном поле (прим. авт.).
--------------------------------------------------------------------------------
этого стали эксперименты, выполненные в нашем институте тоже на монокристаллах вольфрама. Измеряли магнитосопротивление двух образцов в форме брусков квадратного сечения с поперечными размерами 3 мм. Один из них имел отношение сопротивлений (оно - мера "электрической" чистоты металла) при комнатной и гелиевой температурах р273,2 К/р4,2 К, равное всего лишь 1000, т.е. был условно "грязным" с длиной свободного пробега электронов 0,04 мм. У второго - р273,2 К/ р4,2 К составило 100 000, стало быть, он был "ультрачистым", и длина пробега электронов проводимости в нем выросла в 100 раз. Затем в этих образцах вдоль распространения тока вырезали сердцевину, тем самым уменьшив их поперечное сечение, и вновь определяли электросопротивление. В "грязном" образце со сквозным отверстием сопротивление возросло, так как в нем длина свободного пробега электронов меньше поперечных размеров образца, и они рассеивались в основном объеме кристалла.

Для ультрачистого же образца реализуется обратная ситуация. При уменьшении поперечного сечения его сопротивление не только не увеличилось, а, наоборот, уменьшилось. Дело в том, что в металлах с замкнутыми поверхностями Ферми и равными числами электронов проводимости и дырок, стр.
к классу которых относится вольфрам, электроны движутся по замкнутым орбитам, и средняя их скорость вдоль проводника равна нулю. Поэтому в процессе проводимости они практически роли не играют. В переносе заряда в основном участвуют электроны в приповерхностном слое толщиной порядка ларморовского радиуса, взаимодействующие с поверхностью проводника. При создании сквозной внутренней полости в проводнике возникает внутренняя поверхность, а вдоль нее - дополнительный токовый слой. Это обстоятельство и приводит к росту проводимости полого проводника в сравнении со сплошным.

В достаточно сильных магнитных полях плотность приповерхностного электрического тока может в 10 3 -10 4 раз превышать плотность в объеме самого проводника. Например, в монокристалле вольфрама с отношением р273,2 К/р4,2К = 100 000 в поле с 150 кЭ электрический ток сосредоточен в приповерхностном слое толщиной около 0.5x 10 -3 мм, а его плотность достигает почти 10 5 А/см , в то время как в сердцевине кристалла она не превышает 10 2 А/см 2 . Стоит только ввести в кристалл примеси или повысить температуру, вышеописанные эффекты исчезают, и металл ведет себя обычным классическим образом.

Поскольку при низких температурах перенос тепла в металле осуществляется в основном электронами проводимости, подобное явление наблюдается и в теплопроводности. Совместные эксперименты, выполненные сотрудниками нашего института и Института физики Дагестанского научного центра РАН, показали: при низких температурах в ультрачистых металлах с равными числами электронов и дырок в магнитном поле имеет место тепловой аналог статического скин-эффекта - тепловой поток вытесняется в приповерхностный слой проводника.

Еще не так давно в физике металлов общепринятым было мнение, что нелинейные по электрическому полю явления в металлах невозможны в силу высокой плотности электронов проводимости. Однако в 80-90-е годы ситуация изменилась. Нескольким научным группам в России и СНГ (в Московском электротехническом институте, Харьковском физико-техническом институте низких температур и Харьковском государственном университете, Институте физики твердого тела РАН, Сухумском физико-техническом институте и нашем) в чистых металлах удалось наблюдать нелинейные эффекты токовых состояний, выпрямления; возникновение токовых шнуров(*) и электрических автоколебаний в металлах в условиях магнитного пробоя, явление температурно-электрической неустойчивости с образованием в проводнике участков с большой напряженностью электрического поля. Была обнаружена турбулентность электрического тока в тонких металлических образцах, открыта генерация СВЧ-колебаний при возбуждении электронной системы металла импульсным током. Оказалось, что в определенных условиях основной закон электротехники - закон Ома (прямая пропорциональность электрического тока приложенному

--------------------------------------------------------------------------------
* Токовый шнур - слой, в котором протекает ток большой плотности (прим. авт.).
--------------------------------------------------------------------------------
к проводнику напряжению) - может не выполняться. Причины, приводящие к этому, различны. Одна из них связана с большой плотностью электрического тока в приповерхностном слое проводника при статическом скин-эффекте.

Электросопротивление обычных металлов складывается в основном из двух составляющих: остаточного сопротивления за счет рассеяния электронов на примесях и других дефектах кристаллической решетки и электрон-фонового вклада, обусловленного рассеянием электронов на тепловых колебаниях ионов кристалла. В ультрачистых металлах при достаточно низких температурах ситуация иная. Наши ученые обнаружили и исследовали новый механизм рассеяния электронов - "электрон-фонон(*)-поверхность". Он реализуется в условиях размерного эффекта, когда длина свободного пробега электронов больше поперечных размеров образца, и приводит к значительному вкладу в электросопротивление металла, который может превышать перечисленные обычные составляющие сопротивления проводника.

Суть механизма "электрон-фонон-поверхность" заключена в том, что в очень чистых металлических кристаллах столкновения электронов с фононами приводят к рассеянию первых на внутренней поверхности кристалла: это в конечном итоге обусловливает дополнительный температурно зависящий "размерный вклад".

В дальнейшем подобное явление обнаружили и в других, как простых (медь, серебро, золото, алюминий), так и переходных (молибден, рений, рутений, осмий) металлах высокой степени чистоты. Работы, выполненные нашими специалистами, стимулировали аналогичный поиск в ряде научных центров ближнего и дальнего зарубежья, в том числе в Институте экспериментальной физики Лозанского университета (Швейцария), Университете "Экстер" (Англия) и др.

Еще одно необычное свойство ультрачистых металлов: электроны проводимости могут отражаться от внутренней поверхности кристалла с большой степенью зеркальности. Коэффициент отражения может достигать значений до 0,8. Если ранее считалось, что отражение электронов проводимости от внутренней поверхности кристалла может быть только диффузным, ибо дебройлевская длина волны электрона сравнима с межатомными расстояниями, то измерения электросопротивления сверхчистых металлических монокристаллов в зависимости от их поперечных размеров при Т = 4,2 К прямо показали необоснованность таких представлений о взаимодействии электронов с поверхностью кристалла. Более того: различные кристаллографические типы плоскостей, ограняющих кристалл, отражают электроны по-разному.

Как уже отмечалось, в металлических кристаллах в магнитном поле конфигурация траекторий электронов определяется формой поверхности Ферми и компенсацией металла. А поскольку в ультрачистых образцах длина свободного пробега электронов может превышать размеры образца, то по этим траекториям возможен перенос электрического заряда, тепла, ультразвуковых и электромагнитных возбуждений с одной поверхности на противоположную. В этой связи актуален вопрос о возможности управления движением электронов проводимости в металлических кристаллах и способах изменения их траекторий.

Дело в том, что электронные свойства ультрачистого металла при низких температурах главным образом зависят от того, реализуются ли в нем замкнутые или открытые траектории. Например, в первом случае сильное магнитное поле приводит к возникновению "локализованного состояния": электрон движется по замкнутой траектории в плоскости, нормальной к магнитному полю. При этом магнитосопротивление металла при увеличении магнитного поля возрастает в сотни тысяч и миллионы раз. Если же электрон перемещается по открытой траектории, то имеет место "токовое состояние", при котором сопротивление изменяется незначительно. Как же перейти от одного состояния к другому и, соответственно, изменить конфигурацию

--------------------------------------------------------------------------------
* Фонон - квазичастица, представляющая квант упругих колебаний среды (прим. ред.).
--------------------------------------------------------------------------------
электронных траекторий - от замкнутых к открытым или наоборот?

Это можно сделать по крайней мере двумя способами: или магнитным, или температурным (фононным) пробоем. В первом варианте перестройка электронных траекторий происходит за счет квантового туннелирования электрона с одной орбиты на другую в достаточно сильном магнитном поле. Во втором такой переход осуществляется в результате столкновений электрона с низкоэнергетическим фононом, но с волновым вектором, превышающим минимальное расстояние между отдельными замкнутыми листами поверхности Ферми. Впрочем, в том и в другом случае изменение конфигурации электронных траекторий сопровождается сильными макроскопическими эффектами.

В настоящее время центр тяжести исследований электронных свойств переместился с чистых металлов на другие объекты - скажем, на манганиты* с гигантским магниторезистивным эффектом (магнитосопротивлением) или многослойные соединения - сверхрешетки.

--------------------------------------------------------------------------------
* Манганит - соединение на основе сложных оксидов марганца и редкоземельных металлов (прим. авт.).

--------------------------------------------------------------------------------
Тем не менее с развитием методов получения сверхсильных магнитных полей интерес к электронным свойствам ультрачистых металлов может вновь вернуться.

Первые исследования электросопротивления недостаточно чистых металлов в относительно слабых магнитных полях, когда длина свободного пробега электронов была намного меньше ларморовского радиуса их орбиты, показали: сопротивление всех исследованных образцов увеличивается пропорционально квадрату величины магнитного поля.

В конце 20-х годов академик П. Л. Капица разработал метод и получил сильные магнитные поля напряженностью до 300 кЭ. Измерив в них магнитосопротивление большой группы металлов, удалось обнаружить: оно изменяется пропорционально не квадрату величины магнитного поля, а ее первой степени - так называемый закон Капицы. Однако до сих пор однозначного объяснения этому нет.

С развитием методов получения сильных магнитных полей и особочистых металлов было установлено: металлы существенно отличаются друг от друга. У одних сопротивление начинает квадратично возрастать с увеличением магнитного поля, у других - стремится к насыщению, у третьих при определенных направлениях магнитного поля относительно кристалла квадратично возрастает, при прочих же насыщается. В таких магнитных полях у ряда металлов были обнаружены квантовые осцилляции кинетических коэффициентов - был обнаружен эффект магнитного пробоя. Эксперименты в этой области магнитных полей в значительной степени стимулировали "рождение" фермиологии - раздела физики металлов, изучающего электронную структуру и восстановление формы поверхности Ферми того или иного металла.

Возникает вопрос: что произойдет в еще более сильных магнитных полях, скажем, если величина ларморовского радиуса будет сопоставима с межатомным расстоянием? Оценки показывают: для электронов проводимости с малыми эффективными массами это условие можно достичь в полях порядка 1-10 млн. эрстед. Возможно, со временем проявятся новые электронные эффекты. Металл может стать изолятором или же компенсированный металл перейдет в некомпенсированный, поскольку группы носителей электронов или дырок с малыми эффективными массами в первую очередь будут выключены из процесса переноса заряда. Словом, исследования в этой области сверхсильных магнитных полей могут привести к самым неожиданным эффектам.

Артур Левашов · 1742 дней(я) назад 0 4592
Ссылка
Постоянный адрес данной публикации:

http://library.ua/blogs/entry/МЕТАЛЛЫ-В-НОВОМ-РАКУРСЕ


© library.ua
Комментарии профессиональных авторов:
Сортировка: 
Показывать по: 
 
  • Комментариев пока нет
Комментарии гостей




Действия
Рейтинг
0 голос(а,ов)

Публикатор
Артур Левашов
Киев, Украина
16.12.2013 (1742 дней(я) назад)
 


Им понравилось
Лайки · Дизлайки
 
Пусто
ОДИН МИР - ОДНА БИБЛИОТЕКА
Либмонстр - это бесплатный инструмент для сохранения авторского наследия. Создавайте свои коллекции статей, книг, файлов, мультимедии и делитесь ссылкой с коллегами и друзьями. Храните своё наследие в одном месте - на Либмонстре. Это практично и удобно.

Либмонстр ретранслирует сохраненные коллекции на весь мир (открыть карту): в ведущие репозитории многих стран мира, социальные сети и поисковые системы. И помните: это бесплатно. Так было, так есть и так будет всегда.


Нажмите сюда, чтобы создать свою личную коллекцию
МЕТАЛЛЫ В НОВОМ РАКУРСЕ
 

Форум техподдержки · Главред
Следите за новинками:

О проекте · Новости · Отзывы · Контакты · Реклама · Помочь Либмонстру

Украинская цифровая библиотека ® Все права защищены.
2014-2017, LIBRARY.UA - составная часть международной библиотечной сети Либмонстр (открыть карту)


LIBMONSTER - INTERNATIONAL LIBRARY NETWORK