Наука и общество. Нобелевские премии по физике. Современная физика. История физических открытий конца ХХ века, страница 16

К проблемам физики поверхностей очень близко примыкает еще одна тема — исследования двумерной электронной жидкости, или — более общее название — физика систем с пониженной размерностью. Здесь идет речь о реализации очень тонкого проводящего слоя (толщиной около 10~⁶ см), где движение электронов ограничено в вертикальном направлении. Такие системы имеют пониженную (ограниченную) размерность и называются двумерными. Возможны и одномерные системы, представляющие собой длинные и тонкие нити; их исследование тоже интенсивно ведется, хотя успехи здесь пока скромные.

Целочисленный квантовый эффект Холла был обнаружен Клаусом фон Клитцингом в 1980 г. при проведении измерений на кремниевых полевых транзисторах в лаборатории сильных магнитных полей в Гренобле. В довольно сильном магнитном поле (В ~ 20 Тл) и при очень низких температурах (Т ~ 8 мК) на зависимости сопротивления Холла R_H от магнитного поля обнаруживаются отчетливые «ступени», т.е. R_H принимает квантованные значения, определяемые только фундаментальными постоянными. За это открытие К. фон Клитцингу в 1985 г. присуждена Нобелевская премия.

В 1982 г. в двумерном электронном «газе» (фактически — жидкости) был открыт новый эффект. Американские ученые Д. Цуи, X. Штёрмер и А. Госсард в ходе исследований в лаборатории фирмы «Белл» получили удивительные результаты. Они показали, что могут существовать и дробные значения сопротивления Холла; при этом знаменатели дробей всегда нечетны. Этот эффект получил название дробного квантового эффекта Холла. Теория, объясняющая данное явление, опирается на идею Р.Лафлина о том, что в сильных магнитных полях в тонкой двумерной пленке образуются специфические квазичастицы, состоящие из электрона и трех квантов магнитного потока. О том, что магнитный поток квантуется, хорошо известно. Но здесь возникает совершенно невероятная ситуация — электрон обменным образом образует странный симбиоз с квантами магнитного потока! Опыт показал, что это действительно так. Более того, эти квазичастицы конденсируются, образуя так называемую лафлиновскую жидкость. Эта неожиданная для ученых особенность двумерной системы объясняет дробный холл-эффект. Р. Лафлин, X. Штёрмер и Д. Цуи — лауреаты Нобелевской премии 1998 г.

Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, переходы металл—диэлектрик). Присуждение Нобелевской премии за 2000 г. академику Ж. И.Алферову стимулировало возобновление общественного интереса к полупро-

225

 

Имплантированные области

Рис. 85. Гетероструктуры водниковым структурам. Впрочем, этот интерес в среде научных работников и инженеров не угасал никогда. Современную цивилизацию невозможно представить без радиоэлектронных устройств, основанных на полупроводниковых элементах. Поэтому включение вопросов микро- и наноэлектроники в число наиболее важных проблем физики представляется полностью оправданным, а их изучение в школе и вузе — абсолютно необходимым.

Гетероструктуры (от греч. heteros — разные) — полупроводниковые переходы, сформированные как контакты различных по химическому составу полупроводников (рис. 85). Трудности в изготовлении гетероструктур удалось преодолеть в 1957 г., когда Ж. И., Алферов с коллегами предложили систему GaAs— GaAlAs. Благодаря наличию в ней эффектов сверхинжекции, оптического накопления и др. удалось создать полупроводниковые лазеры, фотоэлектрические преобразователи и другие радиоэлектронные приборы. Они нашли широкое применение — от космических станций до бытовой и аудиоаппаратуры.