Хай живуть порушники закону!

Не обурюйтесь таким заголовком: мова йде всього-на-всього про закон Ома. Порушників цього закону фізики готові на руках носити.

Більшість речовин – провідників струму шанує електричну законність, помічену знаменитим Омом. Лише виняткові обставини – наприклад, охолодження майже до температури абсолютного нуля – змушують деяких з них порушувати її. Ви знаєте, в чому це виражається: провідники втрачають здатність чинити опір електричному струму.

Ну, а напівпровідники – ті взагалі не підкоряються закону. І хоча зазвичай вони ведуть себе менш екстравагантно, ніж надпровідники, – всього лише не дотримуються пропорційності між напругою і силою струму – фізики знаходять їх теж гідними поваги. Вірніше, знаходили. Бо зараз є причини ставитися до них не просто з повагою, але навіть з незвичайним захопленням.

Виявилося, напівпровідники здатні нехтувати законом Ома в набагато більшому ступені, ніж надпровідники. Подумаєш – у надпровідників нульовий опір; у напівпровідникових технологіях це може бути і негативним! В результаті струм не послаблюється, проходячи через такий провідник, а посилюється. Правда, адже, приваблива можливість: передавати електроенергію по дротах з настільки казковою властивістю?

Ось вже кілька років серед фізиків побутують підозри, що негативний опір може бути не тільки на кордоні двох кристалів, але і всередині однорідного кристала. Перше слово тут сказали теоретики.

У вільних електронів в кристалі, по совісті кажучи, свободи не так вже й багато. Їм потрібно рахуватися з низкою обмежень. Наприклад, не можна мати енергії, скільки захочеться. Тут накладає вето квантова природа електрона – той факт, що він є і часткою і хвилею одночасно. За законами квантової механіки довжина хвилі електрона повинна бути співмірна з його імпульсом, тобто кількістю руху. Абсолютно вільний електрон, тобто такий, що знаходиться в порожнечі і не відчуває ніяких впливів, може володіти будь-якою кількістю руху, а значить і будь-якою довжиною хвилі. А з електроном в твердому тілі інша справа.

Максимальна довжина хвилі у нього визначається розмірами кристала, а мінімальна – розмірами осередку в кристалічній решітці. Отже, йому доступний лише певний діапазон кількостей руху. І, значить, певний діапазон енергії.

Електрон з великою довжиною хвилі майже «не помічає» атомної структури, так що зіткнення його з атомами не відбувається. Його «хвиля» огинає їх безперешкодно. Але в міру зменшення довжини хвилі йому доводиться все більше рахуватися з атомами. Зрештою, хвиля коротшає настільки, що електрон повністю відбивається атомами кристалічної решітки. Рухаючись на решітку, електрон як би відштовхується нею і летить в зворотному напрямку. Щоб правильно описати це явище на мові формул, фізики-теоретики були змушені ставити знак «мінус» перед символом маси електрона, що володіє дуже малою довжиною хвилі. Іншими словами, вони свідомо йшли на парадокс: приписали електрону масу, яка менше, ніж нуль, – негативну масу. Нічого не поробиш, занадто незвично такий електрон поводиться: штовхають його в одну сторону, а він летить у протилежну.

Як же в цих умовах діє на електрон електричне поле? Під дією поля електрон починає рухатися, прискорюючись. Його енергія зростає за рахунок енергії поля. У той же час його довжина хвилі зменшується, поки не виявиться такою, що решітка почне відбивати електрон. Як вже говорилося, тепер його масу зручно вважати негативною.

Що ж далі? Сила, що діє на негативну масу, повинна не прискорювати її, а сповільнювати. Тому електрон починає втрачати швидкість, на мить зупиняється, а потім рухається назад, знову набираючи швидкість. Як не дивно, при цьому наборі швидкості його енергія не росте, а зменшується – він віддає її полю. Зате одночасно зростає довжина хвилі електрона – до тих пір, поки маса його знову стане позитивною.

І тоді все починається спочатку. Вперед-назад, вперед-назад – так повинен рухатися електрон в твердому тілі. Інакше кажучи, навіть постійне електричне поле повинно давати змінний струм. Причому половину циклу він буде текти по закону Ома (опір позитивний), а половину, порушуючи його (опір негативний).

Це стверджує теорія. Насправді, як відомо, нічого такого немає. У чому тут справа? Так в тому, що електрон, як правило, не в змозі отримати достатню кількість енергії, щоб стати «власником» негативної маси. Ледь-ледь розбагатів енергією – і наскочив на атом у вузлі решітки. З нажитим доводиться розлучатися. Ми знаємо, що цього не відбувалося б, будь решітка ідеально правильною, без спотворень. Але де таку візьмеш?

Фізики почали шукати обхідні шляхи. Спершу в основі пошуків лежала порівняно нехитра ідея: надати електрону достатню енергію раніше, ніж він встигне зіткнутися з атомом. Адже енергійний електрон володіє великою довжиною хвилі і на атоми решітки не звертає уваги.

Щоб розгін електрона був дуже швидким, потрібно докласти дуже велику напругу поля. Легко сказати. Більше напруга – більше і струм. (Це говорить закон Ома!) А від великого струму провідник інтенсивно нагрівається. Розрахунки показали, що метали не годяться: потрібні такі струми, що найтугоплавкіший потече. А нам потрібно тверде тіло, не забувайте.

Дослідники згадали про напівпровідники. У них високий опір. Отже, при одному і тому ж полі струм буде меншим, ніж у металів. Менше буде й нагрів. Зажевріла було надія. Але і в цьому випадку розрахунки розчаровували. Німецький фізик Г. Кремер, співробітник науково-дослідної лабораторії фірми «Філіпа» в Гамбурзі, виступив з дотепною пропозицією. Вона зводилася до того, що на електронах світ клином не зійшовся.

Безсумнівно, що в напівпровідниках незайняте електроном місце, тобто «дірка» в електронній хмарі поводиться подібно позитивно зарядженій частинці. Їй можна приписати певну масу і енергію. І ось що цікаво: маса «дірки» може бути не тільки позитивною, але і негативною, як у електрона в нашому «наднадпровіднику».

Встановивши це, Кремер знайшов, що «дірки» в таких напівпровідниках, як германій або кремній, можуть володіти негативною масою при досить низьких енергіях. У всякому разі, ця енергія повинна бути менше, ніж потрібно електрону. Якщо змусити «дірки» з негативною масою рухатися під дією поля, результатом буде негативний опір.

Думка хоч і не проста, але, безперечно, цікава. На жаль, підтвердити її експериментами Кремера не вдалося.

Потім була висунута нова ідея. Сила струму, як відомо, залежить від числа рухомих електронів. Якщо домогтися, щоб зі зростанням напруги їх ставало все менше, сила струму стане падати. Це прямо проти закону Ома! А так буває, коли опір негативний.

Стало зрозуміло, як домогтися зменшення числа електронів в провіднику. Запропонували такий спосіб: нехай енергійні електрони захоплюються і утримуються атомами домішок. Щоб стати бранцем нової домішки, електрон повинен подолати відштовхування з її боку.

Але чим більше її енергія, тим легше завдання. Складність полягала тільки в підборі підходящих домішок до напівпровідника.

З нею впоралися англійські фізики Р. Пратт і Б. Рідлі. Вони використовували германій, у якого на кожні 100 мільйонів атомів припадав один атом домішки – золота.

Результат їхніх експериментів виявився вкрай несподіваним. Негативного опору не знайшли. Зате вчені зіткнулися з вражаючим фактом: поле в кристалі було неоднорідним. Всередині існував шар з напруженістю близько 2000 вольт на сантиметр. Товщина його становила 0,1 міліметра. По обидва боки цього шару напруга не перевищувало 2 вольт на сантиметр. Нічого подібного поки фізики не зустрічали.

Цікаво, що незрозумілий шар рухався вздовж кристала. Досягнувши торця, він зникав, але в ту ж мить з’являвся на протилежному торці. Це явище Пратт і Рідлі назвали електричним кипінням. Різниця в напруженості полів нагадала їм контраст в щільності рідини і пара над нею.

Автор: В. Ковалевський.