УЛЬТРАТОНКИЕ МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫСПИНТРОНИКИ: КРАХ КОНЦЕПЦИИ СПИНА ЭЛЕКТРОНА
А.А.Гришаев, независимый исследователь
Введение.
Спинтроника, или спиновая электроника, занимается электронными явлениями, в которых, как полагают, важную роль играют спины электронов, т.е. их собственные магнитные моменты. Наличие у электрона собственного магнитного момента считается бесспорной научной истиной. Но эта «истина» не имеет ни теоретических, ни экспериментальных оснований. До сих пор нет физической модели, поясняющей происхождение собственного магнитного момента у электрона, и, кроме того, нет прямых экспериментальных свидетельств о том, что свободный электрон действительно обладает собственным магнитным моментом. При таком положении дел, объяснения ряда физических феноменов, апеллирующие к понятию «спин электрона», не могут считаться научными.
Между тем, существуют альтернативные объяснения этих феноменов, которые не только основаны на чётких и последовательных физических моделях, но и находятся в лучшем согласии с опытом, чем модели, основанные на концепции «спин электрона». В данной статье мы постараемся проиллюстрировать названные преимущества альтернативного подхода применительно к поразительным свойствам ультратонких плёнок из сильных магнетиков.
Что же называется спином электрона?
Напомним, что Паули приписал спин электрону чисто формально, как дополнительное квантовое число, чтобы описать мультиплеты в атомных спектрах. Предложенная далее Уленбеком и Гаудсмитом модель собственного магнитного момента электрона, из-за его вращения вокруг собственной оси, содержала чудовищные внутренние противоречия [1] – и от попыток создания физической модели спина электрона отказались, переведя этот вопрос в разряд «неактуальных». Но теоретикам это не помешало апеллировать к спину электрона, т.е. непонятно к чему, для «объяснения» целого ряда феноменов. Так, договорились считать, что сверхтонкую структуру атомных спектров порождает т.н. спин-орбитальное взаимодействие, т.е. взаимодействие собственного магнитного момента электрона и его орбитального магнитного момента, из-за обращения вокруг ядра – здесь требовалось лишь правильно указать набор подгоночных параметров, и «блестящее согласие теории с опытом» обеспечивалось. В дальнейшем, от идеи орбитального движения электрона отказались – теперь говорят об электронных облаках в атомах. Но, странным образом, концепция спин-орбитального взаимодействия от этого нисколько не пострадала.
И такое плачевное положение дел в теории – это ещё не всё. Где же прямые экспериментальные свидетельства о том, что свободный электрон действительно обладает собственным магнитным моментом? Теоретики уверяют нас в том, что спин электрона может иметь две противоположные ориентации в пространстве – по вектору напряжённости магнитного поля и против него. Так вот, никому не удалось с помощью магнитов расщепить пучок электронов на два – с противоположными спинами. С атомами это получается, с нейтронами – тоже, а с электронами – нет. Неспроста книга [2] начинается с «восходящих ещё к Бору и Паули» объяснений того, почему обычные магнитные фильтры, как в опыте Штерна-Герлаха, не годятся для расщепления пучка электронов. Дело, якобы, в двух мешающих факторах: силе Лорентца и принципе неопределённости. Разумеется, в отличие от атомов и нейтронов, электроны имеют ненулевой заряд, и, в области магнитного действия, сила Лорентца искривляет их траектории. Но в той же книге [2] далее говорится о возможности компенсации силы Лорентца действием электрического поля – и о магнито-электрических фильтрах, работающих на этом принципе. В таком фильтре магнитное действие на спин электрона не скомпенсировано действием электрического поля, но всё равно пучок электронов не расщепляется. Получается парадокс: магнитное действие на спины атомарных электронов способно расщепить пучок атомов, а магнитное действие на спины свободных электронов не способно расщепить пучок электронов – массы которых на четыре порядка меньше масс атомов. Может, действительно, мешающим фактором является принцип неопределённости? Но ведь нас уверяют в том, что именно спинами электронов обеспечиваются хорошо известные силовые действия постоянных магнитов. Выходит, что принцип неопределённости работает асимметрично: заметные магнитные действия спинов электронов он позволяет, а заметные магнитные действия на спины электронов – нет. Руководствуясь такой теорией, специалисты по «поляризованным электронам» [2] хорошо усвоили: нельзя сделать только самое простое, т.е. расщепить пучок электронов на два, а всё остальное, гораздо более сложное – сделать можно. Если верить автору [2], с «поляризованными электронами» вытворяют что хотят: например, «вытягивают» из образца электроны с преимущественной ориентацией спина, опрокидывают спины, и даже превращают продольную ориентацию спинов в пучке в поперечную.
Чем же подтверждают подобные заявления – например, об управляемом формировании пучка электронов, в котором та или иная ориентация спина преобладает? Для подтверждения используют специальные анализаторы, обычно т.н. детектор Мотта. В этом бесхитростном устройстве имеется кусочек фольги, обычно золотой, на поверхность которой направляется анализируемый пучок, и два симметрично расположенных, по отношению к входному пучку, счётчика электронов обратного рассеяния. Полагают, что в зависимости от той или иной ориентации спина, попадающий на фольгу электрон будет рассеиваться «вправо» или «влево». И по асимметрии скоростей счёта делают выводы о степени «поляризации» входящего пучка – например, как функции от энергии входящих электронов [3-5].
Такой подход представляется нам смехотворным. В низковольтной электронографии, где зондируется почти вся полусфера обратного рассеяния, хорошо известно, что направления и интенсивности пиков рассеяния зависят от структуры упаковки атомов на срезе рассеивающего кристалла и от энергии падающих электронов. «С изменением энергии падающих электронов дифракционные картины появляются и исчезают, сменяя друг друга. С увеличением энергии, например, вначале на общем фоне появляются слабые симметрично расположенные пятна-рефлексы, которые разгораются до максимальной яркости, а затем их яркость ослабевает, и рефлексы исчезают на ярком фоне. При дальнейшем увеличении энергии появляются рефлексы в других позициях и также проходят через максимум яркости при определённой энергии » [6]. В случае детектора Мотта, с двумя жёстко закреплёнными счётчиками электронов, асимметрия их скоростей счёта, обусловленная структурой поверхности рассеивающего образца (особенно если он не является монокристаллом) – не принимается во внимание. А ведь она непременно имеет место, и весь «полезный сигнал» может быть обусловлен именно ей. Поэтому ни о каком анализе поляризации пучка электронов с помощью детектора Мотта не может быть и речи.
Учитывая изложенное в [1], резюмируем: для ситуации со спинами электронов в физике вполне уместен известный девиз «Веруем, ибо абсурдно ».