Эффект Мёссбауэра

Эффект Мёссбауэра представляет собой резоненсное излучение или поглощение гамма кванта кристаллической решеткой, содержащей возбужденные ядра. Причем, этот процесс не сопровождается отдачей, передаваемой ядру и, следовательно, происходит без потерь энергии испущенного (поглощенного) кванта. Процесс излучения без потерь энергии на отдачу и составляет сущность эффекта Мёссбауэра. В этом эффекте излучение находится в точном резонансе с излучающим переходом между энергетическими уровнями ядра.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение возбужденных атомных ядер. Обычно энергия гамма-квантов лежит в диапазоне 0,01... 5 Мэв. Длины волн такого излучения - 10^-10 ...10^-13 м. Процесс обычного испускания гамма-кванта есть внутриядерный процесс, в котором гамма-квант обменивается импульсом с несколькими нуклонами внутри ядра. Дискретый характер спектра испускания ядра означает, что возбужденным состояниям ядер соответствует набор дискретных энергетических уровней, аналогично тому, как это происходит в электронных оболочках атомов.

Эффект Мессбауэра был обнаружен при изучении радиоактивного изотопа железа –57. В результате захвата ядром кобальта-57 электрона, образуется ядро железа –57 в возбужденном состоянии. Это состояние быстро, распадается в другое возбужденное состояние с испусканием гамма-кванта с энергией 122 кэВ. Последующий переход в стабильное основное состояние происходит с испусканием резонансного (Мёссбауэровского) гамма-кванта с энергией 14,4 кэВ.

Рис. 52. Схема распада ядра ⁵⁷Со с образованием ядра ⁵⁷Fe. Вертикальные стрелки показывают внутриядерные переходы с испусканием гамма-квантов. Пунктирная стрелка отвечает мёссбауэровскому переходу с излучением гамма-кванта без отдачи.

Эффект Мёссбауэра наблюдают примерно у ста разных радиоактивных ядер в разных кристаллических решетках. Монохроматичность мессбауэровского излучения исключительно высока, выше чем у лазерного излучения. Отношение ширины спектральной линии к ее длине волны для некоторых мессбауэровских ядер превышает 10^-15.

Мёсбауэровский гамма-квант резонансно поглощается стабильными ядрами изотопа железа-57, при этом процесс поглощения сильно зависит от скорости взаимного перемещения источника и поглотителя из-за эффекта Доплера. Движение поглотителя со скоростью 0,1 ...1 мм/с приводит к полной отстройке от условий резонансного поглощения. Этот эффект применяют для регистрации спектрального контура мессбауэровского перехода, тонкой структуры спектральных линий гамма-излучения и для других исключительно точных измерений. Соответствующую область науки называют мессбауэровской спектроскопией.

Мёссбауэровское излучение использовали в фундаментальных экспериментах по определению гравитационного сдвига частоты излучения и по измерению поперечного эффекта Доплера.

Эффект Джозефсона

Эффект Джозефсона - протекание тока через тонкую изолирующую прослойку между двумя сверхпроводниками (через так называемый джозефсоновский контакт). Протекание тока через прослойку обусловлено туннельным эффектом для носителей заряда в веществе, которыми в сверхпроводике являются пары электронов. Джозефсоновский контакт обладает замечательным свойством: при определенном электрическом напряжении между сверхпроводниками (V) контакт начинает излучать СВЧ-излучение. Частота СВЧ -излучения  определяется соотношением:

h = 2eV,

причем, эта частота не зависит от конструкции дфозефсоновского контакта или типов используемых сверхпроводящих материалов. Смысл приведенного соотношения очень прост: энергия кванта h равна энергии, приобретаемой сверхпроводящей парой электронов при прохождении разности потенциалов V. Естественно, наблюдается и обратный эффект: при облучении джозефсоновского контакта СВЧ-излучением от внешнего источника в нем возникает поглощение на частоте, заданной приведенным выше соотношением. При этом между контактами возникает напряжение V.

Джозефсоновский контакт можно изготовить методом вакуумного испарения. На стеклянную подложку в вакууме напыляется тонкая пленка металла, например, олова в виде полоски. Затем в вакуумную камеру напускается некоторое количество кислорода. Поверхностный слой олова при этом окисляется. Условия окисления выбирают такими, чтобы толщина окисного слоя была 1 ... 2 нм, - порядка деБройлевской длины волны электронов в металле. Затем, поверх окисного слоя напыляют другую полоску олова, повернутую на 90 градусов по отношению к первой полоске. К краям полосок припаивают проволочки, с помощью которых к джозефсоновскому контакту подводится электрическое напряжение. Устройство помещают в гелиевый криостат и охлаждают до температуры ниже критической (для олова 3,7 К). Критическое напряжение, при котором ток в джозефсоновском контакте начинает пульсировать, зависит от свойств контакта, температуры и магнитного поля и составляет порядка 1 мВ. Для туннельного контакта Sn - Sn это напряжение равно 1,2 мВ.

Эффект Джозефсона есть проявление квантовых свойств микромира в макроскопическом масштабе. Он связывает частоту высокочастотных электромагнитных колебаний с электрическим напряжением, приложенным к контакту. На основе эффекта Дозефсона точно измерено отношение 2e/ = 4,8359767(14) 10¹⁴ Гц/В. Измерение частоты, составляющей ~ 10 ГГц, производится непосредственно частотомером и, следовательно, точность всего эксперимента лимитируется погрешностью измерения напряжения. Для определения e/h с точностью 10^-6 точность задания напряжения должна составлять ~ 1 нВ. Задание напряжения с такими точностями возможно с помощью специальных потенциометров. Конструкция таких потенциометров должна учитывать ряд экспериментальных тонкостей: заземление, контактные разности потенциалов подводящих проводов, электрические наводки и др. В таком потенциометре эдс стандартного нормального элемента (1,01... В) с помощью прецизионного делителя напряжения с отношением сопротивлений 1000: 1 или100 : 1 преобразуется в напряжение порядка 1 мВ или 10 мВ. В последнем случае для измерений используется несколько одинаковых джозефсоновских контактов, включенных последовательно.

Эффект Джозефсона позволяет создать стандарт Вольта с погрешностью его воспроизведения (< 10^-9) значительно меньшей, чем в принятом в системе СИ определении Ампера. Ограничение на точность воспроизведения Вольта накладывает не сам метод измерения, а дрейф и нестабильность нормальных элементов Вольта, используемых в Национальных метрологических лабораториях в качестве эталона Вольта.

Квантовый эффект Холла. Квантовый эталон электрического сопротивления

Квантовый эффект Холла - другой пример квантового макроскопического явления. Он заключается в квантовании поперечного сопротивления образца и исчезновении удельного сопротивления в продольном (совпадающем с направлением тока) направлении. Эффект Холла - возникновение в твердом проводнике с током плотностью j, помещенном в магнитное поле Н, электрического поля в направлении, перпендикулярном H и j. Эффект легко понять, учитывая, что на движущийся электрический заряд в магнитном поле действует сила Лоренца, смещающая заряды в направлении перпендикулярном H и j.

H

W y

x

C

U I_x

L

V_y V_x

Рис. 30. Схема измерений продольной _xx и поперечной _xy составляющих холловского сопротивления.

Квантовый эффект Холла наблюдают при низких (гелиевых) температурах в тонком поверхностном инверсионном слое некоторых полупроводников. В классическом эффекте Холла удельное сопротивление _xy = H/(nec) монотонно зависит от Н и концентрации носителей n. В случае квантового эффекта Холла поперечная составляющая удельного сопротивления образца принимает дискретные значения :

,

здесь  - целое или дробное рациональное число, которое зависит от величины магнитного поля. Для значений поля Н, при которых поперечная составляющая удельного сопротивления принимает квантованные значения, продольная составляющая этой величины обращается в ноль (_хх  0).

Квантовый эффект Холла с целочисленными значениями  был экспериментально открыт фон Клитцингом с сотрудниками в 1980 г. [19] (Нобелевская премия по физике 1985 г.) на кремниевых структурах n- и p- типов. Квантовый эффект Холла с дробными значениями  наблюдался позднее в полупроводниках с гетеропереходами алюминия-галлия-мышьяка.

Возможность использования квантового эффекта Холла для точных измерений основана на том, что величина сопротивления _xy не зависит от формы и размеров образца и типа применяемого полупроводникового материала. Квантованное значение _xy воспроизводится в экспериментах с точностью, лучшей, чем 10^-7. Таким образом, можно калибровать сопротивление эталонной катушки путем сравнения ее с квантованным значением _xy. Точное сравнение электрических сопротивлений осуществляется с помощью электрических мостов. Значение Ома может быть выражено через фундаментальные физические константы путем измерений, основанных на квантовом эффекте Холла.

Значение 2h/e² = 25812,8 Ом прямо связано с безразмерной постоянной тонкой структуры :

2h/e² =1/(с) (уравнение записано в системе СГС),

в приведенное выражение входит дополнительно только скорость света с, девять знаков которой известны точно. Таким образом из сравнения _xy с сопротивлением эталонной катушки, калиброванной в системе СИ, определяют значение постоянной тонкой структуры  без привлечения результатов квантовой электродинамики. Такое сравнение дало значение  согласующееся с погрешностью 2 10^-6 с результатами измерений  другими методами.