Да здравствуют нарушители закона!

Не возмущайтесь таким заголовком: речь идет всего-навсего о законе Ома. Нарушителей этого закона физики готовы на руках носить.

Большинство веществ — проводников тока чтит электрическую законность, подмеченную знаменитым Омом. Лишь исключительные обстоятельства — например, охлаждение почти до температуры абсолютного нуля — заставляют некоторых из них нарушать ее. Вы знаете, в чем это выражается: проводники теряют способность оказывать сопротивление электрическому току.

Ну, а полупроводники — те вообще не подчиняются закону. И хотя обычно они ведут себя менее экстравагантно, чем сверхпроводники,— всего лишь не соблюдают пропорциональность между напряжением и силой тока — физики находят их тоже достойными уважения. Вернее, находили. Ибо сейчас есть причины относиться к ним не просто с уважением, но даже с необыкновенным восхищением.

Оказалось, полупроводники способны пренебрегать законом Ома в гораздо большей степени, чем сверхпроводники. Подумаешь — у сверхпроводников нулевое сопротивление; у полупроводников оно может быть и отрицательным! В результате ток не ослабляется, проходя через такой проводник, а усиливается. Правда, ведь, заманчивая возможность: передавать электроэнергию по проводам со столь сказочным свойством?

Вот уже несколько лет среди физиков бытуют подозрения, что отрицательное сопротивление может быть не только на границе двух кристаллов, но и внутри однородного кристалла. Первое слово тут сказали теоретики.

У свободных электронов в кристалле, по совести говоря, свободы не так уж много. Им нужно считаться с рядом ограничений. Например, нельзя иметь энергии, сколько захочется. Тут накладывает вето квантовая природа электрона — тот факт, что он является и частицей и волной одновременно. По законам квантовой механики длина волны электрона должна быть соразмерна с его импульсом, то есть количеством движения. Совершенно свободный электрон, то есть находящийся в пустоте и не испытывающий никаких воздействий, может обладать любым количеством движения, а значит и любой длиной волны. А с электроном в твердом теле дело обстоит иначе.

Максимальная длина волны у него определяется размерами кристалла, а минимальная — размерами ячейки в кристаллической решетке. Следовательно, ему доступен лишь определенный диапазон количеств движения. И, значит, определенный диапазон энергии.

Электрон с большой длиной волны почти «не замечает» атомной структуры, так что столкновения его с атомами не происходит. Его «волна» огибает их беспрепятственно. Но по мере уменьшения длины волны ему приходится все больше считаться с атомами. В конце концов, волна укорачивается настолько, что электрон полностью отражается атомами кристаллической решетки. Двигаясь на решетку, электрон как бы отталкивается ею и летит в обратном направлении. Чтобы правильно описать это явление на языке формул, физики-теоретики были вынуждены ставить знак «минус» перед символом массы электрона, обладающего весьма малой длиной волны. Иными словами, они сознательно шли на парадокс: приписали электрону массу, которая меньше, чем нуль, — отрицательную массу. Ничего не поделаешь, слишком необычно такой электрон себя ведет: толкают его в одну сторону, а он летит в противоположную.

Как же в этих условиях действует на электрон электрическое поле? Под действием поля электрон начинает двигаться, ускоряясь. Его энергия растет за счет энергии поля. В то же время его длина волны уменьшается, пока не окажется такой, что решетка начнет отражать электрон. Как уже говорилось, теперь его массу удобно считать отрицательной.

Что же дальше? Сила, действующая на отрицательную массу, должна не ускорять ее, а замедлять. Поэтому электрон начинает терять скорость, на миг останавливается, а затем движется назад, снова набирая скорость. Как ни странно, при этом наборе скорости его энергия не растет, а уменьшается — он отдает ее полю. Зато одновременно растет длина волны электрона — до тех пор, пока масса его опять станет положительной.

И тогда все начинается сначала. Вперед-назад, вперед-назад — так должен двигаться электрон в твердом теле. Иначе говоря, даже постоянное электрическое поле должно давать переменный ток. Причем половину цикла он будет течь по закону Ома (сопротивление положительное), а половину, нарушая его (сопротивление отрицательное).

Это утверждает теория. На самом деле, как известно, ничего такого нет. В чем тут дело? Да в том, что электрон, как правило, не в состоянии заполучить достаточное количество энергии, чтобы стать «владельцем» отрицательной массы. Чуть-чуть разбогател энергией — и наскочил на атом в узле решетки. С нажитым приходится расставаться. Мы знаем, что этого не происходило бы, будь решетка идеально правильной, без искажений. Но где такую возьмешь?

Физики принялись искать обходные пути. Сперва в основе поисков лежала сравнительно нехитрая идея: сообщить электрону достаточную энергию раньше, чем он успеет столкнуться с атомом. Ведь энергичный электрон обладает большой длиной волны и на атомы решетки не обращает внимания.

Чтобы разгон электрона был очень быстрым, нужно приложить очень большое напряжение поля. Легко сказать. Больше напряжение — больше и ток. (Это гласит закон Ома!) А от большого тока проводник интенсивно нагревается. Расчеты показали, что металлы не годятся: нужны такие токи, что самый тугоплавкий потечет. А нам требуется твердое тело, не забывайте.

Исследователи вспомнили о полупроводниках. У них высокое сопротивление. Следовательно, при одном и том же поле ток будет меньшим, чем у металлов. Меньше будет в нагрев. Забрезжила было надежда. Но и в этом случае расчеты разочаровывали. Немецкий физик Г. Кремер, сотрудник научно-исследовательской лаборатории фирмы «Филиппе» в Гамбурге, выступил с остроумным предложением. Оно сводилось к тому, что на электронах свет клином не сошелся.

Несомненно, что в полупроводниках незанятое электроном место, то есть «дырка» в электронном облаке ведет себя подобно положительно заряженной частице. Ей можно приписать определенную массу и энергию. И вот что любопытно: масса «дырки» может быть не только положительной, но и отрицательной, как у электрона в нашем «сверхсверхпроводннке».

Установив это, Кремер нашел, что «дырки» в таких полупроводниках, как германий или кремний, могут обладать отрицательной массой при довольно низких энергиях. Во всяком случае, эта энергия должна быть меньше, чем требуется электрону. Если заставить «дырки» с отрицательной массой двигаться под действием поля, результатом будет отрицательное сопротивление.

Мысль хоть и не простая, но, бесспорно, интересная. Увы, подтвердить ее экспериментами Кремеру не удалось.

Затем была выдвинута новая идея. Сила тока, как известно, зависит от числа подвижных электронов. Если добиться, чтобы с ростом напряжения их становилось все меньше, сила тока станет падать. Это прямо против закона Ома! А так бывает, когда сопротивление отрицательно.

Встал вопрос, как добиться уменьшения числа электронов в проводнике. Предложили такой способ: пусть энергичные электроны захватываются и удерживаются атомами примесей. Чтобы стать пленником нова примеси, электрон должен преодолеть отталкивание с его стороны.

Но чем больше его энергия, тем легче задача. Трудность заключалась только в подборе подходящих примесей к полупроводнику.

С ней справились английские физики Р. Пратт и Б. Ридли. Они использовали германий, у которого на каждые 100 миллионов атомов приходился один атом примеси — золота.

Результат их экспериментов оказался крайне неожиданным. Отрицательного сопротивления не нашли. Зато ученые столкнулись с поразительным фактом: поле в кристалле было неоднородным. Внутри существовал слой с напряженностью около 2000 вольт на сантиметр. Толщина его составляла 0,1 миллиметра. По обе стороны этого слоя напряжение не превышало 2 вольт на сантиметр. Ничего подобного пока физики не встречали.

Интересно, что непонятный слой двигался вдоль кристалла. Достигнув торца, он исчезал, но в тот же миг появлялся на противоположном торце. Это явление Пратт и Ридли назвали электрическим кипением. Разница в напряженности полей напомнила им контраст в плотностях жидкости и пара над ней.

Автор: В. Ковалевский.