Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер

придут из физики конденсированного состояния. В этой главе мы рассмотрим одну из таких возможностей: может быть, мы можем использовать не заряд электрона, а другое фундаментальное его свойство – спин. Для этого потребуется заклинание деления, которое специалисты по физике конденсированного состояния еще продолжают изучать; оно называется фракционализацией и представляет собой одну из самых удивительных возможных форм эмерджентности.

Как и во многих других великих приключенческих повествованиях, в нашем будут странствия во льдах в поисках полюсов. Но наш путь приведет нас не к замерзшим просторам Арктики, а к новому типу вещества, который называют спиновым льдом. Прежде чем отправиться в будущее, давайте вспомним, каким образом мы оказались в настоящем.

Монарх и волшебник

Монарх – ничто, если у него нет придворного волшебника. Используя свою власть и богатство, монарх дает волшебнику возможность заниматься недоступными простым смертным изысканиями, а тот в свою очередь увеличивает власть и богатство монарха. Мерлин был волшебником короля Артура; у царя Соломона, как говорят, был визирь Асиф ибн Бархия, который умел перемещаться на огромные расстояния в мгновение ока;[74] Нострадамус был придворным астрологом Екатерины Медичи, Джон Ди – английской королевы Елизаветы I, а Галилей – великого герцога Тосканского. То покровительство, которое компьютерная промышленность оказывает физике конденсированного состояния, вполне вписывается в эту традицию. Во времена «физики твердого тела» значительная часть исследований конденсированных сред касалась полупроводников для электронной и вычислительной техники. Благодаря финансовой поддержке компьютерной промышленности эта отрасль физики наконец обрела свободу заниматься своей собственной эзотерической магией. В долгосрочной перспективе такие абстрактные исследования часто приносят самые большие дивиденды. Прекрасный пример этого дают Лаборатории Белла (Bell Labs) в штате Нью-Джерси, основанные на доходах, которые принесло изобретение телефона Александром Грэхемом Беллом. Поскольку Белл был физиком, он понимал, что путь к созданию практических приложений лежит через изучение интересных задач ради самого процесса изучения. К настоящему времени работы Лабораторий Белла были удостоены пяти премий Тьюринга и девяти Нобелевских премий по физике – в том числе премии 1956 года за изобретение точечно-контактного транзистора[75], лежащего в основе всей современной электроники. Чтобы понять, как работают эти приборы, необходимо разобраться в состоянии той материи, из которой их делают.

На вид и на ощупь полупроводники представляют собой замечательно парадоксальные кристаллы. Полупроводящие химические элементы, находящиеся в периодической системе между металлами и неметаллами, и свойствами обладают такими промежуточными, где-то между свойствами тех и других, что придает им несколько сверхъестественные качества. На вид они похожи на шершавые камни, а на ощупь оказываются на удивление гладкими. Их трудно назвать матовыми или блестящими – к ним одинаково подходят и не подходят оба эти определения. На ощупь они не такие холодные, как металлы (теплопроводность которых отводит тепло от вашей руки), но и не комнатной температуры, как неметаллы (например, эта книга). Их подробные исследования дали не менее странные результаты. В 1833 году Майкл Фарадей заметил, что сопротивление сульфида серебра уменьшается с увеличением его температуры, что идет вразрез с поведением всех известных проводников. С металлами все понятно: чем больше тепла, тем больше беспорядка, а следовательно, больше сопротивления. Но что происходит в сульфиде серебра? Так Фарадей открыл одно из ключевых свойств полупроводников: они используют заклинание деления.

Если приложить в космическом вакууме сильное электрическое поле, то, как следует из открытой Эйнштейном взаимосвязи между энергией и массой, на свет явится электрон-позитронная пара. То же может происходить и в веществе, когда из моря Ферми рождается электронно-дырочная пара. Такое же заклинание деления легко применить в полупроводнике, в котором небольшое количество тепла может дать достаточно энергии для образования пары. Поскольку и электроны, и дырки способны переносить электрический ток, это объясняет наблюдения Фарадея: при увеличении температуры число электронов и дырок увеличивается, а сопротивление уменьшается. В так называемых «примесном» или «несобственном» полупроводнике вообще нет собственных подвижных электронов и дырок, пока в него не поступит энергия, достаточная для их создания.

Поэтому лучшее место для наблюдения дырок в их естественной среде обитания – это «собственные», или «беспримесные», полупроводники. В собственных полупроводниках p-типа подвижные дырки существуют естественным образом (буква p означает «позитивный», то есть положительный). В собственных полупроводниках n-типа вместо них есть подвижные электроны (а буква «n» означает «негативный», то есть отрицательный). В обоих случаях подвижные квазичастицы присутствуют в связи с наличием примесей: например, если взять чистый одноэлементный кремний, небольшое число атомов кремния можно заменить на атомы галлия. Если посмотреть в периодическую таблицу, можно увидеть, что кремний находится в четвертом столбце, то есть имеет четыре электрона, которые могут участвовать в образовании химических связей, а галлий – в третьем, поэтому у него таких электронов только три. Поэтому каждый атом галлия, оказавшийся в кремнии, создает отсутствие одного электрона – то есть одну дырку. Если заменить галлий на мышьяк (пятый столбец), эффект будет обратным: каждый атом примеси добавит по одному лишнему электрону. Именно такая ставка на примеси, а также рано возникшая тесная связь физики твердого тела с развитием полупроводниковых технологий побудили Вольфганга Паули презрительно назвать физику конденсированного состояния «физикой грязи». Электронно-дырочные пары также можно создавать светом или звуком. В начале этой книги мы видели, как Вериана сказала что-то в свой кристалл и вызвала свет. Ее кристалл, несомненно, был полупроводником: и светодиоды, и лазерные диоды представляют собой полупроводники, в которых области n-типа граничат с областями p-типа. Такая конструкция называется n-p-переходом[76]. Принцип его действия – тот же, что и в точечно-контактном выпрямителе окопного радио: течение электрического тока в одном направлении облегчается, а в другом затрудняется. При приложении к светодиоду должным образом направленного напряжения возникают электронно-дырочные пары, а при воссоединении электронов и дырок выделяется энергия, испускаемая в виде света.

Понять, как устроен n-p-переход, не слишком трудно. В целом он представляет собой кусок полупроводника, например кремния (хотя он чаще бывает не из чистого химического элемента, а из какого-нибудь соединения). Левая половина кремния содержит примеси в виде отдельных атомов мышьяка, собственного полупроводника n-типа, заменяющих малую часть атомов кремния. В правой половине таким же образом имеются атомы германия, собственного полупроводника p-типа. Можно подумать, что при наличии в левой части множества свободных отрицательно заряженных электронов, а в правой – большого количества положительно заряженных дырок все эти электроны и дырки должны будут находить друг друга и аннигилировать, так же как в «Горе Аналог» у каждого человека существует в скалах пустой двойник, с которым он неизбежно воссоединяется в смерти. Это предположение справедливо: вблизи границы между двумя половинами электроны и дырки действительно мигрируют, сталкиваясь друг с другом и аннигилируя. Однако следует помнить, что атомы мышьяка