МЕЗОСКО́ПИКА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
МЕЗОСКО́ПИКА (от мезо... и греч. σϰοπέω – наблюдать, исследовать), изучает физич. системы с размерами больше атомных, свойства которых принципиальным образом зависят от их размера. Фундам. важность М. в том, что она позволяет проследить переход от микроскопики, изучающей объекты атомного или меньшего масштаба, к макроскопике, изучающей системы, свойства которых не изменяются принципиальным образом с увеличением их размеров.
Термин «М.» возник в нач. 1980-х гг., когда были открыты новые фундам. явления, определяемые конечным размером системы (универсальные флуктуации полной электрич. проводимости, эффект кулоновской блокады, квантовые баллистич. эффекты, квантовый эффект Холла и др.). Открытие этих явлений связано с достижениями твердотельных технологий, которые позволили изучать физич. системы микро- и нанометровых размеров.
Указанные явления связаны с переносом электрич. заряда в твёрдых телах. Вплоть до 1970-х гг. описание переноса заряда в металлах и полупроводниках основывалось на классич. формуле Друде, в соответствии с которой электрич. сопротивление проводника определяется его удельным сопротивлением $ρ$ (или удельной проводимостью $σ=1/ρ$), зависящим только от заряда $e$ носителей (электронов или дырок), их концентрации $n$, эффективной массы $m^*$ и транспортного времени $τ$, определяемого концентрацией рассеивающих центров в проводнике:
$σ=e^2nτ/m^*$.
На рубеже 1970–80-х гг. было показано, что формула Друде верна не во всех случаях даже для сопротивления макроскопич. образцов. Более того, оказалось, что само понятие удельного сопротивления или удельной проводимости неприменимо и можно говорить только о сопротивлении или полной проводимости (кондактансе) $G$ конкретного образца. Тогда же были открыты первые мезоскопич. явления. К ним относятся, прежде всего, мезоскопич. универсальные флуктуации полной электрич. проводимости. Существование подобных флуктуаций означает полный пересмотр представлений о том, что такое сопротивление даже обычного металлич. проводника. Напр., кондактанс двух одинаковых по размеру проводников, изготовленных из одного и того же материала, может сильно различаться. При этом $(<δG^2>)^{1/2} ≈ e^2/h$, где $<δG^2>$ – среднеквадратичная амплитуда его флуктуаций, $e^2/h$ – квант проводимости, $h$ – постоянная Планка.
При нулевой темп-ре мезоскопич. свойствами обладает образец любых сколь угодно больших, но конечных размеров. Микроскопич. причиной подобного поведения проводника является квантовая интерференция рассеивающихся электронов, результат которой зависит не только от числа центров рассеяния, но и от их конкретного расположения в образце. Мезоскопич. флуктуации наблюдаются при изменении магнитного поля, энергии Ферми или перезарядке центров рассеяния. Вследствие случайного расположения центров рассеяния каждый образец имеет индивидуальное, присущее только ему расположение этих центров и, соответственно, индивидуальную зависимость мезоскопич. флуктуаций от указанных параметров. Измерение таких зависимостей напоминает снятие «отпечатков пальцев», причём даже изменение положения одного центра меняет «отпечаток» заметным образом. Это позволяет получать уникальную информацию о поведении одного атома в ансамбле из тысяч и даже миллионов атомов.
Существенную роль в М. играют мезоскопич. проводящие кольца, размер которых порядка нескольких микрометров. В них мезоскопич. флуктуации кондактанса в магнитном поле трансформируются в периодич. осцилляции Ааронова – Бома (периодич. интерференционные осцилляции вероятности прохождения электронных волн через кольцо при монотонном изменении пронизывающего его магнитного потока).
Тот факт, что именно квантовая интерференция на случайно расположенных центрах рассеяния является определяющей для мезоскопич. проводника, ведёт к возникновению нелокальных эффектов и, как следствие, к зависимости результата измерения кондактанса от топологии и устройства не только проводника, но и измерительных контактов к нему. В мезоскопич. проводнике нарушается целый ряд симметрий. В частности, такой проводник не является изотропным. В нём также отсутствует центр инверсии, что ведёт к появлению мезоскопич. фотогальванического эффекта и разл. нелинейных эффектов. Также в мезоскопич. проводнике нарушается симметрия электрон–дырка, что вызывает аномально большой мезоскопич. термоэлектрич. эффект (см. Термоэлектрические явления), и т. д. Проводник любого конечного размера не может полностью характеризоваться ср. величинами кинетич. коэффициентов, которыми он обычно описывается в классич. кинетич. теориях. Т. о., развитие М. привело к радикальному пересмотру физики ранее известных кинетич. эффектов, а также к открытию новых эффектов. При конечной темп-ре когерентность интерференционных процессов нарушается из-за неупругих столкновений. В этом случае амплитуда флуктуаций и осцилляций зависит от соотношения размеров образца и длины когерентности. Чем выше темп-ра, тем меньшего размера образец необходим для их наблюдения. Напр., при темп-ре жидкого гелия (4,2 К) флуктуации (осцилляции) могут наблюдаться в образцах микрометрового размера, а при темп-ре жидкого азота (77,4 К) необходимы образцы нанометрового масштаба.
Спустя неск. лет после открытия универсальных флуктуаций кондактанса и осцилляций Ааронова – Бома были открыты квантование кондактанса баллистич. микроконтакта и флуктуации сопротивления баллистич. квантовой точки, что привело к возникновению новой области М. – квантового баллистич. транспорта. Тогда же была открыта мезоскопич. прыжковая проводимость. Наряду с этим, стало ясно, что квантовый эффект Холла также зависит от формы и размера проводника. Его описание на основе краевых токовых состояний привело к пониманию того, что квантовый проводник может описываться универсальной формулой, предложенной амер. физиком Р. Ландауэром в 1957, задолго до появления М.: $G=(e^2/h)T$, где $T$ – квантовомеханич. прозрачность системы, определяемая как свойствами самой системы (размером, формой, энергетич. спектром, числом рассеивающих центров и т. п.), так и внешними воздействиями (электрич. и магнитным полями).
В гибридных системах сверхпроводник–нормальный металл и в сверхпроводящих системах конечных размеров были открыты эффекты, связанные с андреевским отражением и эффектами близости, и, как следствие, появилось новое направление М. – физика мезоскопич. сверхпроводящих систем. Круг мезоскопич. явлений принципиальным образом расширило открытие кулоновской блокады туннелирования (отсутствие тока при приложении напряжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания), возникающей в ёмкостных контактах малых размеров.
Один из мезоскопич. объектов – квантовая точка, транспорт электронов через которую определяется одновременно как квантовой интерференцией, так и эффектами электрон-электронного взаимодействия. Наблюдение Кондо эффекта в квантовых точках открыло ещё одно направление физики мезоскопич. систем.
Уменьшение размеров элементов больших интегральных схем до десятков нанометров требует учёта мезоскопич. эффектов уже при комнатной темп-ре. Т. о., эти эффекты из предмета чисто фундам. исследований превращаются в важную область практики.