Яклевич и Ламбе
Роберт Яклевич и Джон Ламбе, закончив университеты и защитив докторские диссертации, с интервалом в два года пришли на работу в лабораторию Форда. У Ламбе уже сложилась репутация блестящего экспериментатора; он первым, еще в 1957 г., начал работать с твердотельным мазером (микроволновый эквивалент лазера). Яклевич, выпускник университета Нотр-Дам в штате Индиана, был специалистом по физике и химии поверхностей, – в процессах, которые происходят в тонком слое на границе объектов. Наука поверхностей сыграла ключевую роль в появлении твердотельной электроники, поскольку все явления, обеспечивающие работу таких приборов, как транзисторы и диоды, происходят как раз на границе контакта разного рода полупроводниковых материалов. Специалисты по поверхностям создали новую технологию для очистки поверхностей и нанесения на них тонких, контролируемых слоев вещества, которая действует по сей день на гигантских фабриках – производителях чипов. От них зависит вся электроника, которой мы пользуемся. Но в 1961 г. все профессиональные инструменты были самодельными, выглядели, как мечта паяльщика, и работать с ними умели лишь те, кто их создал. Яклевич и Ламбе, пройдя конкурс на интересные идеи, решили заняться явлением, известном как «туннелирование электронов», которое, после нескольких лет пребывания в забвении, внезапно превратилось в увлекательнейшую область деятельности.
Объяснение простое: стоит присоединить два металлических провода к аккумулятору и соединить их, как потечет ток. Ток, «естественно»
[70], несут по проводам электроны. Но как течет ток через точки контакта? Металлы, можно сказать, сочатся электронами, и контакт металла с металлом создает влажность на одном, которая совмещается с влажностью на другом. Но почему металлы сочатся электронами? Почему электроны не сидят спокойно в сомкнутых рядах ядер металла? Почему они стремятся в пространство? Очень просто: потому что электроны слегка ворсистые. Если при сильном увеличении рассмотреть кусочек металла и его электроны, станет видна очень небольшая аура электронов вокруг металлического комка. Если сделать увеличение еще больше, можно увидеть, как электроны прыгают взад-вперед внутри металла, стремясь выпрыгнуть наружу, когда оказываются на краю, преодолевают небольшое расстояние в окружающем пространстве, после чего их утаскивает обратно в металл.
Это квантовый феномен, и объясняется он тем, что электрон, прежде чем «понять», что ему не вырваться из металла, должен обязательно попробовать это сделать. Облако – это место, где все вырывающиеся электроны ловятся и утаскиваются обратно в комок. Это означает следующее: если взять два куска металла, плотно их сдвинуть, а затем начать аккуратно разъединять, электроны будут летать до тех пор, пока расстояние между кусками не превысит суммированное расстояние электронных аур каждого из них. Мы говорим об очень небольших расстояниях, порядка одной миллионной доли толщины человеческого волоса. Это так же действует, если покрыть металл соответствующе тонким слоем изоляционного материала. Если изоляционный материал достаточно тонкий, внешняя его сторона будет так же сочиться электронами, как и голый металл. Это электроны пробивают туннель в слое изоляции.
Каждый раз, когда вы щелкаете выключателем, электроны пробивают себе туннели в тонком слое окиси, грязи и прочего, что скопилось на поверхности тумблера: начинает течь ток. Причина того, что серьезное изучение этого феномена началось только в конце 1900-х гг., проста: как можно было узнать, что не существует маленьких островков в точке контакта между металлами, если два провода в этом месте прочно спаяны в неразрывную цепь? Иными словами, как узнать разницу между электроном, который пробил туннель, и электроном, который просто пролетел в месте спайки, не покидая комфортной атмосферы металлического окружения? До 1959 г. ответ был один: никак. Любой эксперимент, направленный на демонстрацию туннелирования тока, был обречен на неудачу простым вопросом из зала: «Откуда вы знаете, что там нет спайки?»
Прорыв Джайевера
Так было до тех пор, пока не появился Айвор Джайевер. Дипломированный инженер, он работал в Политехническом институте Ренсселера. Будучи специалистом по изучению поверхностей, он создал устройство по принципу «металл-изолятор-металл», при этом слой изолятора был достаточно тонок, чтобы пропускать ток. Затем его посетила блестящая мысль: охладить металлы в жидком гелии. При нормальной температуре кусок металла – словно офисное здание: по всем этажам, снизу доверху, снуют электроны. Каждый этаж – энергетический уровень, и на каждом этаже есть место ровно для одного электрона. Кусок металла площадью в квадратный дюйм содержит огромное количество таких уровней, примерно столько же, сколько атомов в этом куске.
Если взять два куска металла и подсоединить их к противоположным полюсам батареи, произойдет следующее. Энергетические уровни в металле, соединенном с отрицательным полюсом, поднимутся на определенную величину, эквивалентную напряжению батареи. Это как каждый электрон на одном конце поднимется на несколько этажей. Если соединить два куска металла достаточно плотно для того, чтобы электроны могли пробивать туннели, электроны на заполненных этажах поверхности отрицательно заряженного куска металла увидят пустые этажи через границу и устремятся туда. Те, которые находятся на нижних заполненных этажах здания, улететь не могут, потому что некуда.
Ток идет по туннельному переходу между металлами в обычном состоянии (вверху) и металлами в состоянии сверхпроводимости (внизу). В обычных металлах туннелированный ток (правый график) пропорционален напряжению и неотличим от нормального движения тока. В сверхпроводящих металлах зонированные энергетические уровни дают характерное ступенчатое изменение движения тока при изменении напряжения.
Ток, текущий слева направо, будет просто пропорционален количеству заполненных этажей, перед которыми располагаются пустые, а это, в свою очередь, напрямую зависит от напряжения батареи. Иными словами, ток будет пропорционален напряжению батареи. Вот почему в начале изучения процесса туннелирования возникало много сложностей. Поток электронов, проходящий через маленький контакт пайки, тоже пропорционален напряжению, хотя и совсем по другим причинам. И было трудно разделить два типа потоков.
Джайевер особо интересовался сверхпроводимостью, удивительным феноменом, который возникает, когда металлы охлаждают до температуры жидкого гелия. В то время полагали, что основной причиной сверхпроводимости является то, что энергетические этажи заполняются по различной схеме: заполненные этажи до определенного уровня, потом пробел, а затем снова фиксированное количество заполненных этажей. Джайевер понял, что может проверить эту гипотезу с помощью электрического эксперимента. Если изменить напряжение, то вся схема, промежутки и этажи, изменятся соответственно. Если разместить сверхпроводящие металлы с таким причудливым заполнением этажей друг напротив друга и менять напряжение, то можно увидеть бугры и впадины в движении тока, обусловленные положением заполненных этажей и промежутков относительно друг друга. Именно это к своему удивлению, удовольствию и бессмертной славе увидел Айвор Джайевер. Он описал эффект в публикации 1959 г. и в 1973 г. был удостоен за это Нобелевской премии. Джайевера в первую очередь интересовало поведение электронов при низких температурах, но одним из непреднамеренных побочных эффектов его работы стало то, что люди впервые поверили в наличие туннельных токов. Если в любой момент эксперимента вы подозреваете, что два куска металла вступили в непосредственный контакт, нужно всего лишь поместить их в жидкий гелий. Если электрический ток будет выглядеть странно, значит, вы наблюдаете эффект туннелирования.
