Low Temperature Physics: 42, 519 (2016); https://doi.org/10.1063/1.4960009
Физика Низких Температур: Том 42, Выпуск 7 (Июль 2016), c. 663-686    ( к оглавлению , назад )

Эффекты близости в холодном газе многозарядных атомов (Обзор)

I. Chikina

LIONS, NIMBE, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, CEA Saclay 91191 Gif sur Yvette Cedex, France

В. Шикин

Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, 142432, Россия
E-mail: shikinv@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 16 марта 2016 г.

Аннотация

Обсуждаются возможные эффекты близости в газе холодных многозарядных атомов. Речь идет о разреженном газе плотностью nd тяжелых атомов (Z >> 1) при низких температурах в рамках известного приближения Томаса–Ферми (TF), дающего возможность судить о статистических свойствах отдельного атома. Для сохранения достоинств TF-формализма, успешного в сферически симметричных задачах, внешние граничные условия, учитывающие конечность плотности атомов (доноров) nd ≠ 0, также симметризованы (используется сферическая ячейка Вигнера–Зейтца) и оформлены в стандартной манере, сохраняющей полный заряд внутри ячейки.
В рамках модели показано, что при нулевой температуре в разреженном газе многозарядных атомов существует эффективное дальнодействующее взаимодействие Eproxi (nd) (proximity), знак которого зависит от свойств внешних оболочек отдельного атома. Степень дальнодействия Eproxi оценивается сравнением со свойствами известного дисперсионного притяжения ELond (nd) < 0 (London), считающегося в газовых задачах дальнодействующим. Для благородных газов аргона, криптона, ксенона Eproxi > 0. Щелочные и щелочноземельные атомы демонстрируют Eproxi < 0.
При конечных температурах TF-статистика обнаруживает новый, аномально большой эффект близости, отражающий стремление локализованных на кулоновских центрах электронов к уходу в зону сплошного спектра. Свойства теплового распада интересны сами по себе, определяя важное явление диссоциации нейтральных комплексов на заряженные фрагменты. Ниже это явление согласованно входит в TF-теорию зависимостью разных вариантов Eproxi от температуры. Аномальность теплового эффекта близости проявляется в том, что при его наличии в условиях T ≠ 0 равновесное решение TF-статистики для отдельного многозарядного атома в вакууме перестает существовать. Неустойчивость подавляется в модели Вигнера–Зейтца с использованием предположения об отсутствии электронных потоков через внешнюю границу R3nd-1 ячейки Вигнера–Зейтца.
Величина Eproxi отвечает определению корреляционой энергии в газе взаимодействующих частиц. Обзор написан в манере, допускающей сравнение результатов TF-формализма с известными положениями корреляционной теории классической плазмы. Классический пример из практики работы со слабыми растворами (в том числе и заряженными) — использование полунепроницаемых мембран при изучении свойств осмотического давления — оказывается весьма целесообразным для задач с участием Eproxi. Речь идет об одной или нескольких резких границах, формируемых ионной частью многочастичной задачи. Это может быть граница металл–вакуум в известной ячейке Казимира при изучении свойств вакуума в промежутке 2l между проводящими средами разной природы либо различные слоистые системы (квантовые ямы) в полупроводимости и т.п. Электроны как подвижная часть равновесия вблизи резкой границы могут (должны) выходить за пределы ионного остова в промежуток 2l с вероятностью, зависящей, среди прочего, и от свойств Eproxi электронного облака внутри проводящих обкладок ячейки Казимира (квантовой ямы).
В полупроводниках аналогом сэндвича Казимира оказываются широко используемые многослойные гетероструктуры, именуемые квантовыми ямами, шириной 2l, с берегами из подходящих легированных материалов, обеспечивающих статистически равновесный обмен электронами между слоями многослойника. Тепловая составляющая эффектов близости в полупроводящих квантовых ямах дает представление о многих свойствах процесса диссоциации в легированных полупроводниках. В частности, положительность Eproxi > 0 (по отношению ко дну зоны проводимости) говорит о том, что TF-доноры с конечной плотностью nd ≠ 0 формируют в полупроводнике вырожденное, полупроводящее состояние: имеется конечная плотность свободных носителей при нулевой температуре. Эта плотность растет с увеличением T степенным образом.

PACS: 71.10.–w Теория и модели многоэлектронных систем;
PACS: 73.21.–b Электронные состояния и коллективные возбуждения в многослойниках, квантовых ямах и мезоскопических наносистемах.

Ключевые слова: многозарядный атом, статистическое приближение Томаса–Ферми, ячейка Вигнера–Зейтца, многослойная структура Казимира, осцилляции Фриделя, квантовая яма, радиус Бора, экранировка, радиус Дебая.

Oпубликована онлайн: 25 мая 2016 г.