Новости науки 30.03.01 Квантовые эффекты в конденсированных средах
при высоких давлениях
Квантовые явления в макроскопических телах наблюдать достаточно
трудно. Исключение составляют такие явления, как сверхпроводимость
и сверхтекучесть, но они проявляют себя лишь при очень низких температурах.
Поэтому возникает резонный вопрос: есть ли такие специфически квантовые
явления, которые можно было бы наблюдать и при нормальных температурах?
На роль такого явления подходят разнообразные изотопические эффекты
в твердых телах. Краткий обзор современного состояния исследований
в этом направлении дан в недавней работе [С.М.Стишов, УФН, 171,
299 (2001)].
Как известно, сугубо квантовое соотношение неопределенностей Гейзенберга
приводит к возникновению нулевых колебаний частицы в потенциале,
неких квантовых флуктуаций положения частицы, существующих даже
при нулевой температуре. Это относится, в частности, и к атомам
твердого тела. Роль нулевых колебаний растет с уменьшением массы
частицы -- это и есть изотопический эффект, когда свойства веществ,
составленных из разных изотопов одного элемента, оказываются различными.
При нормальных температурах и давлениях эффект нулевых колебаний
очень мал: он просто незаметен на фоне больших тепловых колебаний
атомов. Для наблюдения квантовых эффектов можно охлаждать образец,
и тогда относительный вес квантовых флуктуаций увеличится. Есть,
однако, и другой путь: изучать поведение вещества при очень больших
давлениях (тысячи атмосфер и более). В таком случае уменьшается
объем, в котором атомам приходится колебаться, а значит, возрастает
энергия нулевых колебаний (вспомните самую первую задачу из курса
квантовой механики: поведение частицы в прямоугольной потенциальной
яме). Таким образом, иы получаем предсказание: изотопический эффект
(например, разность удельных объемов при одинаковом давлении и температуре)
растет с увеличением давления. Кроме того, относительный рост квантовых
флуктуаций может вызвать при больших давлениях так называемое холодное
плавление кристалла.
Более аккуратные вычисления показывают, что описанная выше картина
справедлива лишь для вещества с кулоновским законом межчастичного
взаимодействия. Если же потенциал взаимодействия быстро убывает
с расстоянием, то имеет место обратная картина: чем больше давление,
тем слабее изотопический эффект.
В своей работе Стишов делает обзор имеющихся на сегодняшний день
экспериментальных исследований. Он приводит данные по изотопическому
смещению удельного объема в водороде, гелии, литии, гидриде лития
и углероде, а также анализирует изотопический сдвиг температуры
плавления гелия и водорода.
Общий вывод заключается в том, что в целом теоретические предсказания
подтверждаются. Однако автор обращает внимание на некоторые странности
в поведении гидрида лития и гелия, которые пока не находят объяснения.
|