Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 28)
В таком лазере небольшой стержень материала (например, рубина) обтачивается и полируется для получения плоской грани, а затем окружается ярким источником света - газоразрядной трубкой, которая может быстро включаться и выключаться, создавая световые импульсы, обладающие достаточной энергией, чтобы возбуждать атомы стержня. Весь прибор охлаждается, чтобы удостовериться в минимальном влиянии теплового возбуждения на атомы стержня, и яркие вспышки лампы используются для того, чтобы стимулировать (или накачивать) атомы до возбужденного состояния. Когда лазер запущен, с плоской грани стержня испускается импульс чистого рубинового света, в котором содержатся тысячи ватт энергии.
Кроме того, существуют жидкостные лазеры, лазеры на флуоресцентных красителях, газовые лазеры и так далее. Все они обладают одинаковыми основными свойствами: внутрь входит некогерентная энергия, а наружу выходит когерентный свет, который переносит много энергии. Некоторые лазеры, например газовые, дают непрерывный чистый пучок света, который представляет собой идеальную «линейку» для измерений и нашел широкое применение на рок-концертах и в рекламе. Другие выпускают краткие, но мощные импульсы энергии, которыми можно просверливать отверстия в твердых предметах (и которые нашли применение в военных целях). Лазерные резцы используются в разных отраслях: от швейной промышленности до микрохирургии. Лазерные пучки более эффективны при передаче информации, чем радиоволны, ведь чем выше частота излучения, тем больше информации можно передать посредством него за одну секунду. Штрихкоды на продуктах в супермаркете (и на обложке этой книги) считываются лазерным сканером; видео- и аудиодиски, появившиеся на рынке в начале 1980-х, считываются лазером; настоящие трехмерные фотографии, или голограммы, делаются при помощи лазеров и так далее.
Список этот практически бесконечен, даже если не включать в него использование мазеров в качестве усилителей слабых сигналов (например, с телекоммуникационных спутников), радаров и других подобных приборов; и все это берет свое начало даже не в истинной квантовой теории, а в первой версии квантовой физики. Когда вы покупаете пачку кукурузных хлопьев и кассир считывает с нее штрихкод лазерным сканером, когда вы посещаете рок-концерт с огромными цветными дисплеями, или смотрите концерт по телевидению через спутник, находящийся на другом конце мира, или проигрываете концерт той же самой группы на новейшей видеосистеме, или восхищаетесь магией голографического воспроизведения, все это происходит благодаря Альберту Эйнштейну и Нильсу Бору, которые более девяноста лет назад вывели принципы вынужденного излучения.
Могучее микро
Самое серьезное влияние квантовой механики на повседневную жизнь, без сомнения, относится к области физики твердого тела. Сама по себе фраза «твердое тело» лишена романтики; услышав ее, вы вряд ли проведете в уме связь с квантовой теорией. Да, это то самое направление физики, которое подарило нам транзисторное радио,
Все устройства, перечисленные в предыдущем абзаце, основаны на свойствах полупроводников, которые являются твердыми телами и, что логично, обладают характеристиками, представляющими собой нечто среднее между свойствами проводников и диэлектриков. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что диэлектрики - это вещества, которые не проводят электричество и не проводят его потому, что электроны в их атомах крепко присоединены к ядрам в соответствии с законами квантовой механики. В проводниках, например металлах, каждый атом имеет некоторое число электронов, которые слабо связаны с ядром и находятся в энергетических состояниях, расположенных близко к верхней границе атомной потенциальной ямы. Когда атомы группируются вместе в твердом веществе, верхняя граница одной энергетической ямы сливается с ямой, принадлежащей следующему атому, и электроны на высоких уровнях могут свободно перемещаться от одного атомного ядра к другому, не оставаясь более присоединенными только к одному ядру, и переносить электрический ток в металле.
В целом свойство проводимости основывается на статистике Ферми - Дирака, которая запрещает этим слабо присоединенным электронам падать глубоко в атомные потенциальные ямы, где все энергетические уровни для крепко присоединенных электронов являются полностью занятыми. Если попробовать сжать металл, он сопротивляется давлению; металлы твердые. Причина, по которой металлы так тверды и так сопротивляются давлению, кроется в том, что в соответствии с принципом исключения Паули для фермионов электроны не могут быть сжаты теснее.
Энергетические уровни электронов в твердом теле рассчитываются при помощи квантово-механических волновых уравнений. Электроны, которые крепко присоединены к ядру, считаются находящимися в валентной зоне твердого тела, а электроны, которые свободно перемещаются от ядра к ядру, считаются находящимися в зоне проводимости. В диэлектрике все электроны находятся в валентной зоне, а в проводнике некоторые из них
перемещены в зону проводимости40. В полупроводнике валентная зона заполнена и есть только узкая энергетическая прослойка между этой зоной и зоной проводимости, обычно в 1 эВ. В связи с этим электрону легко перепрыгнуть в зону проводимости и перенести электрический ток по материалу. Однако, в отличие от ситуации с проводником, электрон, получивший энергию, оставляет после себя дырку в валентной зоне. Точно так же, как и в описанном Дираком случае создания электронов и позитронов из энергии, это отсутствие отрицательно заряженного электрона в валентной зоне ведет себя - что касается электрических свойств, - как положительный заряд. Естественный полупроводник обычно обладает несколькими электронами в зоне проводимости и несколькими положительно заряженными дырками в валентной зоне, причем и электроны, и дырки могут переносить электрический ток. Можно представить себе, что электроны один за другим падают в дырку в валентной зоне и оставляют после себя дырку, в которую падает следующий электрон и так далее, а можно представить, что дырки - это настоящие положительно заряженные частицы, двигающиеся в противоположном направлении. Что касается электрического тока, эффект одинаков.
Естественные полупроводники довольно интересны, и не в последнюю очередь из-за того, что они представляют собой прекрасную аналогию создания пары электрон - позитрон. Но их электрические свойства с трудом поддаются контролю, а именно контроль сделал эти материалы столь важными для нашей повседневной жизни. Контроль достигается посредством создания искусственных полупроводников, один тип которых содержит большее количество свободных электронов, а другой - большее количество свободных «дырок».
И снова этот трюк просто понять, но не так просто заставить его работать на практике. Например, в кристалле германия каждый атом содержит на внешней оболочке четыре электрона (это квантовая кулинария на скорую руку, поэтому модель Бора вполне подходит для нее), которыми он «делится» с соседними атомами, чтобы создать химические связи, формирующие кристалл. Если германий «разбавлен» несколькими атомами мышьяка, атомы германия по-прежнему доминируют в структуре кристаллической решетки и атомам мышьяка приходится с трудом внедряться внутрь. В химическом смысле основное различие
Вообще-то существует и другой тип проводника, в котором валентная зона не заполнена и электроны могут перемещаться внутри нее.
между германием и мышьяком заключается в том, что у мышьяка есть пятый электрон на внешней оболочке и мышьяку легче всего внедриться в решетку германия, проигнорировав этот дополнительный электрон и установив четыре химические связи, притворившись, что он является атомом германия. Дополнительные электроны, оставшиеся у атомов мышьяка, движутся по полосе проводимости получившегося полупроводника, а соответствующие им дырки отсутствуют. Такой кристалл называется полупроводником п-типа.
Альтернативой является легирование германия (в соответствии с нашим первоначальным примером) галлием, у которого только три электрона образуют химическую связь. В результате мы будто создаем дырки в валентной зоне каждого атома галлия, и валентные электроны перемещаются, прыгая в дырки, которые ведут себя подобно положительным зарядам. Такой кристалл называется полупроводником p-типа. Самое интересное происходит, если приложить друг к другу два разных типа полупроводников. Избыток положительного заряда, с одной стороны, и отрицательного - с другой создает разницу электрического потенциала, которая пытается вытолкнуть электроны в одном направлении и мешает их движению в другом. Такая объединенная пара полупроводниковых кристаллов называется диодом и дает возможность электрическому току двигаться лишь в одном направлении. Углубляясь в детали, стоит отметить, что электроны возможно заставить перепрыгнуть в дырку, и при этом будет излучаться свет. Диоды, которые излучают свет таким образом, называются светодиодами, или СИД (светоизлучающими диодами). Они используются в многочисленных дисплеях. Диод, работающий противоположным образом - поглощающий свет и выбрасывающий электрон из дырки в соседнюю зону проводимости, является фотодиодом, который используется, когда необходимо обеспечить пропускание тока лишь при попадании пучка света на полупроводник. Это основа для автоматически открывающихся дверей, которые срабатывают, когда вы приближаетесь к ним, попадая в зону светового пучка. Однако полупроводники не ограничиваются только диодами.