Свойства любого вещества во многом зависят от того, в каком состоянии оно находится: высокочистом или в различных соединениях, нагретом или охлажденном, сильно сжатом или испытывает воздействие магнитного поля, Новое неизвестное или не изученное ранее состояние вещества — это новые, порой совершенно необычные свойства, часто представляющие огромный интерес для науки и техники.
Ученые постоянно ведут поиски в этом направлении, все глубже проникая в тайны строения веществ и открывая новые их свойства. Примером могут служить исследования при низких температурах.
Серьезные успехи достигнуты в развитии способов получения очень чистых веществ — методов, которые лежат сейчас в основе всей физики и техники полупроводников.
В частности, вполне естественно было предпринять поиски необычных свойств, проявляющихся в очень чистых веществах при низких температурах. Эти проблемы исследуются теоретически в Институте теоретической физики и в Физическом институте Академии наук СССР и экспериментально — на физическом факультете МГУ и в Физико-техническом институте Академии наук СССР в Ленинграде. В результате было обнаружено, в частности, так называемое «бесщелевое» состояние, когда вещество приобретает свойства, ценные для прогресса радиотехники и электроники.
Что же это такое? Как известно, в металлах и полупроводниках ток переносится отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными «дырками». Значит, и электрон, и «дырка» — материальные носители электрического тока. В данном случае и «дырка» и «щель» — понятия чисто физические, а отнюдь не пространственные в житейском смысле. Конечно, можно было бы обругать физиков за то, что они в столь общеизвестные слова вкладывают совершенно вроде бы не присущий им смысл. Но ведь и физики, встречаясь с каким-то неизведанным явлением, пытаются иной раз образно сравнить его с чем-то в обыденной жизни.
Нечто похожее встречаем мы и в настоящем случае. В металле носители тока — электроны и «дырки» — существуют при сколь угодно низкой температуре. В идеально чистом полупроводнике при абсолютном нуле их нет. Чтобы в таком полупроводнике появились носители тока, нужно повысить его температуру — иными словами, сообщить ему какую-то энергию. Необходимая для этого наименьшая порция энергии оказывается достаточной для рождения пары носителей тока: одного электрона и одной «дырки». Меньшее количество энергии полупроводник не в состоянии воспринять. Таким образом, есть какой-то энергетический предел, который необходимо перескочить, чтобы в идеально чистом полупроводнике появились носители тока. Этот предел и называется «энергетической щелью».
Недавно открыты вещества, у которых нет такого предела. Хотя при абсолютном нуле в этих веществах носители тока отсутствуют, для их создания оказывается достаточно сколь угодно малой энергии. Следовательно, «энергетическая щель» здесь равна нулю, а вещество находится в «бесщелевом» состоянии.
Одна группа таких веществ — «бесщелевые» полупроводники. Они обладают очень симметричными кристаллическими решетками. Энергетическая щель в них сохраняется нулевой при любых воздействиях, не меняющих симметрию кристаллической решетки, будь то всестороннее сжатие или добавление примесей. В числе «бесщелевых» полупроводников можно назвать серое олово и теллурид ртути. Их физические свойства при увеличении или уменьшении температуры и напряженности магнитного поля изменяются совсем не по тем законам, которые применимы для других веществ. Например, уже при малых электрических полях ток в этих полупроводниках меняется гораздо сильнее, чем следовало бы по закону Ома.
Открыта также группа веществ, в которых «бесщелевое» состояние может возникать как результат какого-либо внешнего воздействия; например, с усилением давления магнитного поля или изменением химического состава. В зависимости от степени внешнего воздействия «энергетическую щель» можно уменьшить вообще до нуля, то есть перевести вещество в «бесщелевое» состояние. Кристаллические решетки таких веществ, примером которых может служить, скажем, сплав висмута с сурьмой, менее симметричны, чем в «бесщелевых» полупроводниках. Им присущи и свои особенности. Так, когда они в «бесщелевом» состоянии, то носители тока в них обладают необычайно высокой «подвижностью», а следовательно, эффективностью в переносе электрического заряда.
Наконец, есть еще новые состояния, в которые можно привести, например, сплавы висмут — сурьма с помощью достаточно сильного магнитного поля — так называемые экситонные фазы. В одной из них носители тока существуют даже при абсолютном нуле, в другой они отсутствуют.
Все эти результаты были достигнуты путем глубоких теоретических исследований и подтверждены на опытах. В ходе экспериментов пришлось преодолеть значительные трудности. Дело в том, что в новые состояния оказалось возможным переводить лишь кристаллы предельной чистоты, совершенной структуры и при температурах всего в несколько градусов выше абсолютного нуля. А когда добивались получения экситонных фаз, то понадобилось комбинированно воздействовать на материал высоким давлением и сильным магнитным полем.
Трудно переоценить значение новых, «бесщелевых» материалов. Создаваемые сейчас на их основе электронные приборы могут работать на напряжении всего в несколько милливольт. Это позволяет использовать для их питания простые термоэлектрические элементы, что упрощает технику и облегчает ее эксплуатацию. Область радиоэлектроники, которая будет использовать такие материалы, можно условно назвать радиоэлектроникой милливольтового диапазона.
Исключительную важность для дальнейшего прогресса радиоэлектроники представляет высокая подвижность носителей тока в «бесщелевых» материалах, в сотни раз большая, чем у лучших полупроводников. Это позволяет создавать электронные приборы с рабочими элементами высокого быстродействия. В частности, речь может идти о быстродействующих высокочувствительных фотоприемниках электромагнитных волн, перекрывающих наименее доступную в настоящее время область волн от далекого инфракрасного до субмиллиметрового диапазона. Из «бесщелевых» материалов можно изготовлять генераторы радиоволн в высокочастотном и сверхвысокочастотном диапазонах.
Что касается экситонных фаз, то возможности их практического применения пока еще не ясны. Но можно не сомневаться, что и они не останутся «безработными». То, что не находит применения в технике сегодня, как правило, начинает широко использоваться завтра. Об этом наглядно свидетельствует вся история науки.
Исследование новых состояний различных веществ продолжается. Работа ведется в трех основных направлениях. Во-первых, идет поиск, имеющий целью расширить круг металлов, полупроводников и их сплавов, которые могут при определенных условиях приобретать свойства «бесщелевых» материалов или экситонных диэлектриков. Очень важно установить, что эти новые состояния имеют общий характер и могут наблюдаться у широкого класса веществ. Во-вторых, более глубоко исследуются электрофизические характеристики уже известных «бесщелевых» материалов и экситонных фаз. Исследуются фазовые переходы из новых состояний в «нормальные». В-третьих, — и это, пожалуй, сейчас особенно важно — создаются различные электронные приборы на основе «бесщелевых» материалов. Уже изготовлены опытные образцы новых полупроводниковых приборов на базе сплава висмут — сурьма. Ведется разработка быстродействующих фотосопротивлений, а также генераторов и усилителей ультразвука. Таким образом, новые научные открытия прокладывают себе путь в практику.
СССР, 1974 г.
