Эффекты близости в холодном газе многозарядных атомов (Обзор)

Анотація

Обсуждаются возможные эффекты близости в газе холодных многозарядных атомов. Речь идет о разреженном газе плотностью n_d 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) n_d ≠ 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 E_proxi (n_d) (proximity), знак которого зависит от свойств внешних оболочек отдельного атома. Степень дальнодействия E_proxi оценивается сравнением со свойствами известного дисперсионного притяжения E_Lond (n_d) < 0 (London), считающегося в газовых задачах дальнодействующим. Для благородных газов аргона, криптона, ксенона E_proxi > 0. Щелочные и щелочноземельные атомы демонстрируют E_proxi < 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 E_proxi 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 R³∝n_d^-1 ячейки Вигнера–Зейтца.
Величина E_proxi 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 E_proxi. 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 E_proxi 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 E_proxi > 0 (по отношению ко дну зоны проводимости) говорит о том, что TF-доноры с конечной плотностью n_d ≠ 0 формируют в полупроводнике вырожденное, полупроводящее состояние: имеется конечная плотность свободных носителей при нулевой температуре. Эта плотность растет с увеличением T степенным образом.