Нанонауки

Но что это за квант такой, без которого почему-то человечество сегодня не в силах обойтись? В 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что в мире «внизу», то есть на очень малых расстояниях, изменение энергии происходит не непрерывно, как в макроскопическом мире, а скачками или порциями. Вот этот кусочек энергии, на который уменьшается или увеличивается ее текущее значение, он и назвал квантом. Приращение или падение энергии обязательно кратно некоему числу — кванту (или количеству действия); это число — универсальная, одна и та же для всей Вселенной константа, и называется она постоянной Планка. Поэтому, если электрон, например, входит в некоторый атом, его энергия не может быть какой угодно, она квантована, то есть какие-то значения энергии для него запрещены — их просто не может быть, потому что не может быть никогда. Чтобы как-то объяснить эту ступенчатость или прерывистость энергии, ученые начала XX века не нашли ничего лучшего, кроме сопоставления электрона с волной. Атом удерживает свой электрон — и электрон сидит себе в атоме, как в ловушке. Или как гвоздь в ящике. Только это не гвоздь, а волна. Не всякая волна поместится в ящике: она же будет отражаться от его стенок, и потому длина волны не может быть какой угодно: вот, гитара, например, — это же ящик со струнами, правда? Каждая струна издает одну и ту же ноту (звуковое колебание одной и той же частоты). Меняя натяжение струны, прижимая ее к грифу, можно изменить звук, но непроизвольно — и у разных струн при одном и том же зажиме изменение длины волны будет разным (в ящике — акустическом резонаторе — не всякая волна «поместится»). Вот так и электрон: его энергия в малюсенькой коробочке атома не может быть какой угодно. Другое следствие волновой природы электрона еще удивительнее: нельзя точно указать место, где внутри атома находится этот самый электрон. Существует только вероятностная локализация, то есть мы способны узнать лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте.

Итак, электрон — одновременно и волна и частица. Эта идея вызвала настоящую бурю в физике твердого тела: оказалось, что с приближением одного из трех размеров объема твердого тела (длины, ширины или высоты) к длине волны, ассоциируемой с электроном, начинают проявляться квантовые эффекты. Они заметны уже в крупных транзисторах, но там подобные феномены смазывались большим количеством атомов: квантово-волновые явления, производимые отдельным атомом, складывались с такими же явлениями, генерируемыми другими атомами, и часто гасили друг друга, так что на суммарный эффект можно было не обращать внимания. Это похоже на большой оркестр, в котором каждый инструмент выводит свою ноту независимо от других инструментов; в результате получается не мелодия, а какой-то беспорядочный шум, даже не обязательно громкий.

В очень маленьких устройствах не так: квантовые явления уже не компенсируют друг друга. Из их изучения родилось новое направление — мезоскопическая физика. Размеры подобных приборчиков находятся в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Значит, они где-то в промежутке между атомными и макроскопическими расстояниями, отсюда приставка мезо-, посредине, а счет атомов идет на миллионы. Следовательно, в мезофизике квантовые волны электронов (или ассоциированные с электронами) еще путаются, то есть гасят («маскируют») друг друга. Однако здесь, в отличие от макроскопического оборудования, один из факторов путаницы уже не действует. В итоге, когда величина прибора становится меньше свободного пробега электронов (так называется среднее расстояние, преодолеваемое электроном за время между двумя столкновениями), вероятность столкновения с вибрациями атомов падает, словно бы у электронов не остается времени на взаимодействие с себе подобными. И эти колебания атомов уже не компенсируют друг друга, а выступают единым фронтом: словно бы есть одна-единственная волна, колебание, соответствующее большому количеству электронов, — как будто бы из душераздирающей какофонии расстроенного оркестра родился некий аккорд, силы которого хватило, чтобы заставить все инструменты оркестра звучать в унисон.

Углеродные нанотрубки обозначили границу между этой мезоскопической физикой и нанофизикой, до которой мы еще не добрались, а сделаем мы это в следующей главе.