Номер 7, страница 318 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 8. Твёрдые тела и их превращение в жидкости. Параграф 8.10. Примеры решения задач. Вопросы - номер 7, страница 318.

Условие.

7. Подготовьте доклад «Перспективные направления и исследования структуры твёрдого тела (на материале отечественных и зарубежных источников)».

Решение.

Введение

Физика твёрдого тела является одной из наиболее динамично развивающихся областей современной науки, лежащей в основе технологического прогресса. Исследование структуры и свойств твёрдых тел на атомарном, электронном и спиновом уровнях открывает путь к созданию новых материалов с уникальными характеристиками. Современные исследования находятся на стыке физики, химии, материаловедения и инженерии, объединяя усилия учёных по всему миру. В данном докладе рассмотрены ключевые и перспективные направления в этой области, основанные на анализе работ как отечественных, так и зарубежных научных школ. Будут затронуты такие темы, как топологические материалы, двумерные системы, высокотемпературная сверхпроводимость, нано- и метаматериалы, а также новые экспериментальные методы.

Ответ: Введение определяет значимость изучения структуры твёрдого тела и анонсирует основные перспективные направления исследований, которые будут рассмотрены в докладе.

1. Топологические материалы

Это класс материалов, чьи электронные свойства описываются нетривиальными топологическими инвариантами. Главная особенность топологических изоляторов — наличие проводящих состояний на их поверхности или границе, в то время как объём материала остаётся диэлектриком. Эти поверхностные состояния защищены топологией зонной структуры от рассеяния на примесях и дефектах, что делает их перспективными для электроники будущего. Ключевой вклад в теоретическое предсказание и открытие этих материалов внесли зарубежные учёные Чарльз Кейн, Юджин Меле, Шоучэн Чжан, а также нобелевские лауреаты 2016 года Данкан Холдейн, Майкл Костерлиц и Дэвид Таулесс. Значительный вклад в понимание роли топологии в конденсированных средах внёс и российский физик-теоретик Г.Е. Воловик, чьи работы по сверхтекучему гелию-3 предвосхитили многие идеи в этой области. Сегодня активно исследуются не только топологические изоляторы, но и топологические полуметаллы Дирака и Вейля.

Ответ: Топологические материалы, обладающие уникальными защищёнными поверхностными состояниями, являются одним из самых актуальных направлений физики конденсированного состояния, с важным вкладом как зарубежных, так и отечественных теоретиков.

2. Двумерные материалы и гетероструктуры

Открытие графена в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новосёловым (Нобелевская премия по физике 2010 года), выходцами из российской научной школы (МФТИ), работавшими в Манчестерском университете, произвело революцию в материаловедении. Графен, одноатомный слой углерода, обладает выдающимися механическими, электрическими и оптическими свойствами. Этот прорыв стимулировал поиск и исследование других двумерных (2D) материалов: силицена, фосфорена, дихалькогенидов переходных металлов (например, $MoS_2$, $WSe_2$). Современный тренд — создание ван-дер-ваальсовых гетероструктур путём "складывания" различных 2D-слоёв. Это позволяет конструировать материалы с заранее заданными свойствами. Яркий пример — открытие сверхпроводимости в двухслойном графене, повёрнутом на "магический угол" (группа Пабло Харилло-Эрреро, МТИ). Российские научные группы (в ИФТТ РАН, МФТИ, МГУ и др.) активно участвуют в синтезе и исследовании таких систем.

Ответ: Двумерные материалы и создаваемые на их основе гетероструктуры открывают возможности для конструирования материалов с уникальными, управляемыми свойствами, являясь плодом международного научного сотрудничества.

3. Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП)

Поиск материалов, способных проводить электрический ток без потерь при высоких (в идеале — комнатной) температурах, остаётся одной из главных задач физики твёрдого тела. После открытия ВТСП в купратах Й. Беднорцем и К. Мюллером (Нобелевская премия 1987 года), были открыты и другие классы ВТСП, в частности, железосодержащие пниктиды и халькогениды. Несмотря на десятилетия исследований, единой теории, описывающей механизм ВТСП в этих материалах, до сих пор нет. Основополагающий вклад в теорию сверхпроводимости внесла советская научная школа в лице В.Л. Гинзбурга и А.А. Абрикосова (Нобелевская премия 2003 года). В последние годы прорывные результаты были получены в области гидридов под сверхвысокими давлениями, где была достигнута сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной (например, в $LaH_{10}$ при $T_c \approx 250$ K). Эти эксперименты, проводимые в основном зарубежными группами, открывают новое направление поисков, хотя и требуют экстремальных условий.

Ответ: Проблема высокотемпературной сверхпроводимости остаётся нерешённой, но недавние открытия в гидридах под высоким давлением и продолжающиеся исследования сильно коррелированных систем вселяют оптимизм в достижении конечной цели — сверхпроводимости при комнатной температуре.

4. Наноматериалы и метаматериалы

Исследование наноматериалов — объектов с характерными размерами от 1 до 100 нанометров — привело к открытию новых физических явлений, обусловленных квантовыми размерными эффектами. Квантовые точки, нанотрубки, нанопроволоки уже находят применение в оптоэлектронике, медицине и энергетике. Фундаментальные работы по полупроводниковым гетероструктурам, заложившие основу наноэлектроники, были выполнены Ж.И. Алфёровым (Нобелевская премия 2000 года). Другим перспективным направлением является создание метаматериалов — искусственных сред, чьи электромагнитные свойства определяются не столько химическим составом, сколько их структурой. Теоретические основы для создания материалов с отрицательным показателем преломления были заложены ещё в 1967 году советским физиком В.Г. Веселаго, а экспериментально реализованы зарубежными учёными (Дж. Пендри, Д. Смит) лишь в начале 21 века. Такие материалы открывают путь к созданию "суперлинз" и "плащей-невидимок".

Ответ: Нано- и метаматериалы демонстрируют, как управление структурой вещества на наноуровне позволяет получать свойства, недостижимые для природных материалов, что является примером успешного развития идей отечественных и зарубежных учёных.

5. Новые методы исследования структуры

Прогресс в понимании структуры твёрдого тела невозможен без развития экспериментальных методик. Современные методы позволяют изучать материалы с высочайшим пространственным и временным разрешением. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и атомно-силовая микроскопия (АСМ) дают возможность видеть отдельные атомы. Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES) напрямую "фотографирует" зонную структуру электронов. Мощнейшими инструментами остаются методы рассеяния нейтронов и синхротронного излучения. Для этого строятся гигантские установки. Наряду с ведущими зарубежными центрами (ESRF во Франции, LCLS в США, SPring-8 в Японии), в России действует Курчатовский источник синхротронного излучения и ведётся строительство синхротрона нового поколения СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов) в Новосибирске, который должен стать одним из мировых лидеров в этой области.

Ответ: Развитие и создание новых передовых методов и установок для исследования структуры материи, как в России, так и за рубежом, является ключевым фактором для будущих открытий в физике твёрдого тела.

Заключение

Исследование структуры твёрдого тела остаётся на переднем крае фундаментальной науки, постоянно генерируя новые знания и технологические приложения. Рассмотренные направления — от топологических фаз материи и двумерных кристаллов до поиска комнатно-температурной сверхпроводимости и создания метаматериалов — показывают широту и глубину современных исследований. Успех в этих областях напрямую зависит от международного сотрудничества, обмена идеями и интеграции усилий различных научных школ, включая богатые традиции и современные достижения как отечественной, так и зарубежной науки.

Ответ: Перспективные направления в изучении твёрдых тел являются междисциплинарными, развиваются в рамках широкой международной кооперации и обещают революционные технологические прорывы в будущем.