Новости науки 30.03.01 Квантовые эффекты в конденсированных средах при высоких давлениях

Квантовые явления в макроскопических телах наблюдать достаточно трудно. Исключение составляют такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть, но они проявляют себя лишь при очень низких температурах. Поэтому возникает резонный вопрос: есть ли такие специфически квантовые явления, которые можно было бы наблюдать и при нормальных температурах? На роль такого явления подходят разнообразные изотопические эффекты в твердых телах. Краткий обзор современного состояния исследований в этом направлении дан в недавней работе [С.М.Стишов, УФН, 171, 299 (2001)].

Как известно, сугубо квантовое соотношение неопределенностей Гейзенберга приводит к возникновению нулевых колебаний частицы в потенциале, неких квантовых флуктуаций положения частицы, существующих даже при нулевой температуре. Это относится, в частности, и к атомам твердого тела. Роль нулевых колебаний растет с уменьшением массы частицы -- это и есть изотопический эффект, когда свойства веществ, составленных из разных изотопов одного элемента, оказываются различными.

При нормальных температурах и давлениях эффект нулевых колебаний очень мал: он просто незаметен на фоне больших тепловых колебаний атомов. Для наблюдения квантовых эффектов можно охлаждать образец, и тогда относительный вес квантовых флуктуаций увеличится. Есть, однако, и другой путь: изучать поведение вещества при очень больших давлениях (тысячи атмосфер и более). В таком случае уменьшается объем, в котором атомам приходится колебаться, а значит, возрастает энергия нулевых колебаний (вспомните самую первую задачу из курса квантовой механики: поведение частицы в прямоугольной потенциальной яме). Таким образом, иы получаем предсказание: изотопический эффект (например, разность удельных объемов при одинаковом давлении и температуре) растет с увеличением давления. Кроме того, относительный рост квантовых флуктуаций может вызвать при больших давлениях так называемое холодное плавление кристалла.

Более аккуратные вычисления показывают, что описанная выше картина справедлива лишь для вещества с кулоновским законом межчастичного взаимодействия. Если же потенциал взаимодействия быстро убывает с расстоянием, то имеет место обратная картина: чем больше давление, тем слабее изотопический эффект.

В своей работе Стишов делает обзор имеющихся на сегодняшний день экспериментальных исследований. Он приводит данные по изотопическому смещению удельного объема в водороде, гелии, литии, гидриде лития и углероде, а также анализирует изотопический сдвиг температуры плавления гелия и водорода.

Общий вывод заключается в том, что в целом теоретические предсказания подтверждаются. Однако автор обращает внимание на некоторые странности в поведении гидрида лития и гелия, которые пока не находят объяснения.

перейти к началу страницы