Клаус фон Клицинг (Klaus von Klitzing)
28 юни 1943 г.
Нобелова награда за физика
(За откриването на квантовия ефект на Хол.)
Немският физик Клаус Олаф фон Клицинг е роден по време на Втората световна война в град Шрода, по това време част от Германия (близо до германско-полската граница). Той е третото от четирите деца на лесовъда Богислав фон Клицинг и Ани Улбрих. Скоро след раждането на Клицинт става ясно, че военната ситуация в Германия се е влошила и частите на съветската армия скоро ще достигнат покрайнините на Позен (сега Познан), и семейство Клицинг бяга на запад. Малко преди края на войната, през април 1945 г., те се установяват в Лютен. През 1948 г. семейството се премества в Олденбург, а след това през 1951 г. в Есен. Клицинг получава средното си образование в „Artland Gymnasium“ в град Квахенбюн, което му позволява да специализира физика в Техническия университет в Брауншвайг, където постъпва през 1962 г.
В Брауншвайг Клицинг се среща за първи път с проблемите на физиката на полупроводниците. Той също така проявява интерес към рентгеновата спектроскопия и дори пътува до Дармщат, за да слуша курс по компютърно програмиране, като се позовава на използването на компютърните методи в спектроскопията. Но вниманието му е привлечено от метода за измерване на луминесценцията. Той го използва, за да определи живота на токоносителите в полупроводниковия индиев антимонид и представя резултатите в дисертация, написана под ръководството на Ф.Р. Кесслер през 1969 г. Тогава Клицинг отива в университета във Вюрцбург, където известно време преподава техника на лабораторните експерименти на студенти по медицина. През следващите десет години се занимава с изследвания на полупроводници. Почти цялата 1975 г. Клицинг прекарва в Оксфорд, където по това време са направени най-добрите свръхпроводящи магнити. За Клицинг те представляват особен интерес, тъй като силните еднородни магнитни полета са важен инструмент за изследване на поведението на електроните в полупроводниците.
В търсене на още по-силни магнитни полета Клицинг напуска през 1979 г. Вюрцбург и отива да работи в лабораторията за силни магнитни полета в Гренобъл. През 1980 г. той получава ново назначение и става професор в Техническия университет в Мюнхен. На този пост остава до 1985 г., когато е одобрен за директор на института „Макс Планк“ за физика на твърдото тяло в Щутгарт. Комбинацията от ниски температури и силни магнитни полета, които той успява да изследва в Гренобъл, изиграва важна роля в неговите открития, свързани с ефекта на Хол. Това явление, наблюдавано за първи път през 1880 г. от американския физик Едуин X. Хол, преди това се смята единствено за много несъвършено средство за измерване на концентрацията на електрони в полупроводниците. При измервания, базирани на този ефект, електрически ток преминава през образец, поставен в магнитно поле, което се прилага в перпендикулярна посока. В образеца възниква напрежение в посока, перпендикулярна както на тока, така и на магнитното поле. Величината на това напрежение на Хол е обикновено пропорционална на магнитното поле и обратно пропорционална на концентрацията на електрони. Но изводите, които могат да се направят от тези измервания, по правило имат грешка от порядъка на 10%, тъй като има много различни видове взаимодействия между електроните и атомите на кристалната решетка на полупроводника.
В Гренобъл, работейки в сътрудничество с Майкъл Пепър от лабораторията „Кавендиш“ към университета в Кеймбридж и с Герхард Дорда от изследователските лаборатории на корпорацията „Сименс“ в Мюнхен, Клицинг осъществява експеримент, който се различава от традиционните измервания главно по естеството на образеца. Силицият, който Клицинг избра за експеримента, е част от транзистор, в който подвижните електрони мотат да се движат само в много тънък слой близо до една от повърхностите на устройството. Така че електроните могат да вървят само в две измерения, а не в три. Поведението на такива "двуизмерни" електрони под въздействието на приложено напрежение се различава значително от поведението на електроните в обменния образец.
Най-удивителната характеристика на експеримента Клицинг е отклонението на напрежението на Хол от обикновеното плавно поведение с промени в приложеното магнитно поле и концентрацията на електрони. С постепенно увеличаване на броя на електроните в двуизмерния слой напрежението на Хол първо спада непрекъснато, след това остава постоянно за известно време, а после отново спада до следващата хоризонтална стъпка и т.н. Като се раздели стойността на напрежението на Хол, съответстваща на всяка такава стъпка, на стойността на тока, преминал през образеца, се получава стойността на електрическото съпротивление. Сравнявайки поредицата от получени съпротивления, Клицинг забеляза, че всички те представляват дроби с една и съща стойност: съпротивление от 25,183 ома. Това съпротивление може да бъде представено като съотношение на две основни константи в природата - константата на Планк, която управлява всички квантово-механични явления, и квадрата на електрическия заряд на електрона.
Важна особеност на получения резултат е високата точност, с която е изпълнено това съотношение. При повтарящи се експерименти, не само върху образци с различни форми, но и при транзистори, направени от различни материали, съотношението неизменно се измерва с грешка от около една десетмилионна част. Тази стабилност на измерванията позволява на Клицинг да предположи, че феноменът, известен сега като квантов ефект на Хол, може да стане основата на напълно нов стандарт за електрическо съпротивление. За своите открития Клицинг. и неговите колеги съобщават през август 1980 г. в списанието "Physical Review Letters".
Прецизността и възпроизводимостта, с които квантовият ефект на Хол може да бъде измерен, го правят феномен, чието значение надхвърля метрологията или физиката на полупроводниковите прибори. Тъй като измерената единица съпротивление зависи само от най-фундаменталните константи на природата, резултатът, получен от Клицинг, е важен и за много други области на физиката. Например фината структура на емисионните спектри на горещите газове се определя от същата комбинация от фундаментални константи като квантовия ефект на Хол. По този начин измереното съпротивление на Хол се превръща в проверка за правилността на тромавите теоретични изчисления, които прогнозират значението на константата на фината структура на атомната спектроскопия.
В някои отношения откритието на квантовия ефект на Хол от Клицинг може да се сравни с явлението свръхпроводящото тунелиране, предсказано две десетилетия по-рано от Брайън Д. Джоузефсън. И двата ефекта позволяват да се наблюдава в лабораторен експеримент квантово механично поведение, обикновено ограничено от системите на атомни размери. И двата ефекта довеждат до създаването на нови абсолютни стандарти за електрическите величини - волта при Джоузефсън и ома при квантовия ефект на Хол. Изследванията на Клицинг са от особено значение, тъй като стимулират проучването на електроните, ефективно ограничени до двумерно пространство. Множество нови явления, открити през следващите години, и нови проблеми, възникнали във физиката на електронните слоеве, до голяма степен дължат появата си на забележителните наблюдения, направени от Клицинг през 1980 г.
През 1971 г. Клицинг се жени за Рената Фалкенберг, семейството има двама сина и една дъщеря. В допълнение към Нобеловата награда, ученият е удостоен с наградата Валтер Шотки на Германското физическо дружество (1981 г.) и наградата Хюлет Пакард на Европейското физическо дружество (1982 г.).
Превод от руски: Павел Б. Николов
Няма коментари:
Публикуване на коментар
Анонимни потребители не могат да коментират. Простащини от всякакъв род ги режа като зрели круши! На коментари отговарям рядко поради липса на време за влизане във виртуален разговор, а не от неучтивост. Благодаря за разбирането.