Тяжелые электроны изобразились

Со школьной скамьи многие помнят, что способность металлов проводить электрический ток связана с наличием в них свободных электронов, которые также определяют и другие важные свойства металла – взаимодействие с магнитным полем и теплопроводность. Взаимодействуя друг с другом и с ионами кристаллической решетки, эти электроны меняют свойства металла в целом. Чтобы учитывать это взаимодействие, физики ввели некую количественную характеристику – эффективную массу.

В некоторых соединениях металлов эта эффективная масса оказывается почти в 1000 раз больше, чем масса покоя свободного электрона – 9,1•10^-31 кг.

В связи с этим в науке появилось понятие «тяжелого» электрона.

Свойства таких соединений разительно отличаются от свойств обычных металлов. У некоторых веществ удельная теплоемкость и магнитная восприимчивость (способность вещества намагничиваться в магнитном поле) оказались в несколько сот раз больше, чем у обычных металлов. А некоторые соединения при низких температурах перешли в сверхпроводящее состояние – то есть при конкретных условиях их электрическое сопротивление равно нулю.

Физика соединений с «тяжелыми» электронами до сих пор неясна, но определенные успехи учеными достигнуты.

В частности, в последнем номере журнала Nature опубликована статья американских исследователей из университета Макмастера, Корнельского университета, Брукэйвенского отделения США по энергетике и Лос-Аламосской национальной лаборатории. В работе рассказывается о первом в мире полученном изображении «тяжелых» электронов в соединениях металлов.

В своем исследовании ученые использовали кристаллическое соединение урана, рутения и кремния – Uru₂Si₂. Используемые образцы охлаждались до низких температур, сначала до 55 Кельвинов (-218 градусов Цельсия), а затем и до температуры фазового перехода – 17,5 К. В работе применялся специально разработанный для данного исследования метод получения спектроскопических изображений сканирующей туннельной микроскопией (SI-STM). Обычный вариант сканирующего зондового микроскопа предназначен для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением, что происходит путем измерения тока, возникающего за счет разности потенциалов между сканирующим элементом и проводящей поверхностью.

Благодаря методу SI-STM ученые смогли отследить расположение и взаимодействие электронов в кристаллах, посмотреть, как они реагируют на изменение температуры и что происходит с ними, когда материал приобретает температуру ниже температуры фазового перехода.

«Представьте себе, что вы летите над водоемом, где есть стоячие волны, которые распространяются вверх и вниз, но не распространяются на берег. Вы можете прикоснуться к воде только в самой верхней точке, а к более нижним – не cможете. Это будет похоже на то, что делает наш микроскоп», – объяснил руководитель исследования, Симус Дэвис из Корнельского университета и Брукхэйвенской лаборатории.

«Мы не знаем, с чем связан фазовый переход при температуре 17,5 К в данном материале, с особенностями группового поведения электронов или же, например, со взаимодействием свободных электронов с атомами урана. Но микроскоп позволяет нам увидеть изменения микроскопических электронных состояний».

Пока ученые продемонстрировали сами наблюдения «тяжелых» электронов в соединении Uru₂Si₂. В ближайшее время исследователи намерены подобным образом «сфотографировать» похожие соединения. Набрав материалы по этим соединениям, ученые постараются пролить свет на физику металлов с «тяжелыми» электронами, которые являются потенциальными сверхпроводниками и могут найти широкое применение в технике в ближайшем будущем.

Напало на Юпитер

На «флагман» Солнечной системы, планету-гигант Юпитер во второй раз за год совершено «покушение». После «атаки» астероида 19 июля 2009 года последовало новое событие – яркая вспышка на диске Юпитера была зафиксирована вчера, передает Discovery.

Авторами открытия стали не гигантские обсерватории, а два астронома-любителя – один наблюдал звездное небо из Австралии, а другой с соседних Филиппин. Отметим, что именно австралиец Энтони Уэсли обнаружил и вспышку летом прошлого года. С его подачи ее стали изучать астрономические обсерватории по всему миру, а также космический телескоп «Хаббл».

В 20.31 по Гринвичу, 3 июня (00.31 4 июня по Москве) на поверхности Юпитера был зарегистрирован крупный огненный шар.

Уэсли и филиппинец Кристофер Гоу, независимо наблюдавший событие с другой точки планеты, сделали снимки пятна и даже небольшие видеоролики. Однако природа небесного тела, столкнувшегося с Юпитером и породившего наблюдаемую картинку, пока неясна. Ученые не строят предположений, был ли это астероид или комета, – определены лишь его примерные размеры.

«Действительно, это похоже на болид в атмосфере Юпитера. Я думаю, что этот болид был связан с падением на Юпитер метеороида размером метров 100–200», – сказал старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ Владимир Сурдин. Его слова приводит РИА «Новости».

Сурдин отметил, что болид возник как раз на той широте, где недавно исчез так называемый «южный пояс» – стабильная полоса относительно темной облачности южнее юпитерианского экватора.

По словам астронома, нельзя определить, какое именно небесное тело «нанесло удар» по самой большой планете Солнечной системы.
«Невозможно сказать, был это астероид (камень) или ядро кометы (лед). На расстоянии орбиты Юпитера кометы еще холодные и хвостов обычно не выбрасывают. Общее название для небольших тел, влетающих в атмосферы планет, – метеороид», – сказал он.

«Мне до сих пор трудно поверить, что я смог в прямом эфире наблюдать и зафиксировать падение небесного тела на Юпитер», – восхищается своими наблюдениями Гоу.

«Сначала я принял темное пятно за спутник Юпитера. Потом подумал, что, возможно, это тень от спутника. Но ни то, ни другое не должно было находиться столь близко от южного полюса (на фото – наверху). К тому же пятно перемещалось вместе с планетой», – рассказывает Уэсли.

Астрономы-любители призвали астрономическое сообщество всего мира активно наблюдать за Юпитером и изучить последствия обнаруженного ими инцидента.

«Официальная» астрономия не замедлила с ответом: уже получено разрешение использовать «Хаббл» для наблюдений за объектом. Исследователи полагают, что его уникальные возможности способны дать не менее уникальную информацию о событии.

Последние 15 лет жизнь Юпитера «текла спокойно», и столкновений с другими небесными телами не наблюдалось. До этого в гравитационное поле газового гиганта затянуло комету Шумейкер-Леви 9, в результате чего та разрушилась на несколько крупных осколков. Столкновение с ними привело к образованию черных пятен на поверхности красно-коричневой планеты.

А в прошлом году окружение Юпитера активизировалось. Событие 19 июля 2009 года было весьма похоже на сегодняшнее. Тогда падение небесного тела также вызвало появление черного пятна. Первым о нем сообщил Уэсли, после чего за изучение таинственного черного пятна взялась группа астрономов, работающих с космическим телескопом «Хаббл».