Бывают окольцованные люди, бывают окольцованные птицы... Нанотрубки тоже могут быть в каком-то смысле окольцованы: американские и израильские ученые полагают, что должны существовать электронные состояния, локализованные на значительном удалении от поверхности металлических и углеродных нанотрубок.

Со школьной скамьи мы помним, что можно найти поле, создаваемое точечным зарядом, находящимся вблизи от поверхности проводника с плоской поверхностью, с помощью нехитрого приема: достаточно заменить проводник фиктивным зарядом-"изображением" -точечным зарядом противоположного знака, расположенным на том же расстоянии под поверхностью проводника, на каком реальный заряд располагается над поверхностью (поле, создаваемое реальным зарядом и зарядом-изображением, будет эквивалентно полю, создаваемому точечным зарядом, находящимся вблизи от поверхности проводника). Если на секунду забыть о реально существующем проводнике (или диэлектрике), то можно представить дело так, что взаимодействуют два точечных заряда противоположного знака. Они притягиваются, и чем ближе они расположены, тем сильнее; как мы знаем, при малых расстояниях классическое рассмотрение задачи становится некорректным - становятся существенными квантовые эффекты. Возникает вопрос: не будет ли система реальный заряд - "заряд- изображение" при определенных условиях напоминать атом водорода, то есть не будет ли возникать вблизи поверхности твердого тела водородоподобная система разрешенных энергетических уровней? И действительно, квазикулоновское взаимодействие электрона с твердым телом с плоской поверхностью приводит к существованию водородоподобного набора уровней энергии (отличие только в численных коэффициентах). То есть существуют электронные состояния, локализованные вблизи поверхности тела; такие состояния наблюдались экспериментально. Отличия от реального атома водорода, конечно, сказываются - время жизни таких "приповерхностных" состояний довольно мало (электрон достаточно быстро уходит из приповерхностных в поверхностные состояния).

C объемными металлами и диэлектриками все ясно, а что будет происходить с электроном вблизи металлической или углеродной нанотрубки - он ведь также должен притягиваться к своему "изображению"? Такую задачу недавно рассмотрели американские и израильские ученые; они показали, что в этом случае должны существовать локализованные на достаточном удалении от поверхности нанотрубки (на расстоянии, значительно превышающем радиус нанотрубки) электронные состояния [1].

Рис.1. Схематическое изображения "трубчатого" электронного состояния, локализованного вдали от нанотрубки.

Хотя физически случай взаимодействия электрона с нанотрубкой принципиально не отличается от рассмотренного выше случая электрона у плоской поверхности тела, изменение геометрии задачи приводит к появлению важной особенности. Электрон в "трубчатом" приповерхностном состоянии, обусловленном существованием "сил изображения", может иметь достаточно большой момент импульса и это должно препятствовать уходу электрона из таких "внешних" состояний (соответственно, время жизни электрона в "трубчатых" состояниях должно существенно (по оценкам ученых - на несколько порядков) увеличиваться по сравнению со случаем обычных приповерхностных состояний). Электронная волновая функция при этом может быть локализована на достаточно большом удалении от поверхности нанотрубки (например, для нанотрубки с радиусом около 0.7 нм электрон может быть локализован на расстоянии более 10 нм от поверхности). С помощью различных способов (внешние электроды, наличие дефектов в нанотрубке и т.д.) электрон может быть локализован в направлении, параллельном оси нанотрубке (подобное состояние и показано на рис.1).

Чем может быть интересно существование таких "удаленных" трубчатых электронных состояний? Оно даст дополнительную возможность исследовать слаболокализованные электронные состояния (подобные электронным состояниям в ридберговских атомах ), может позволить создать наноразмерые "накопительные кольца" для заряженных частиц (о другом нетрадиционном типе накопительных колец см. в нашей новости ), ну и, конечно, исследование таких трубчатых состояний будет источником дополнительной информации о свойствах самих нанотрубок.

1. Brian E.Granger, Peter Kral, H.R.Sadeghpour, and Moshe Shapiro. Phys.Rev.Lett., v.89, 135506 (2002).

Е.Онищенко.