電子バブルとは、 ネオン やヘリウム などの極低温ガスまたは液体中の自由電子の 周囲に形成される空隙のことである。通常、電子バブルは非常に小さく、大気圧 下では直径約2ナノメートルである。
ヘリウム中の電子バブル 室温 では、希ガス 中の電子は、弱い相互作用をする原子との衝突によってのみ制限され、自由に動き回ります。ガス密度と温度に依存する電子の移動度は、古典的な 運動論 によってよく説明されます。温度が下がると、ヘリウム原子は低温では減速し、電子との相互作用が少なくなるため、電子の移動度は低下します。[ 1 ]
臨界温度以下では、電子の移動度は古典的に予想される値よりもはるかに低い値まで急速に低下します。この不一致が電子バブル理論の開発につながりました。[ 2 ] 液体ヘリウム に注入された電子は予想されるように自由に移動するのではなく、むしろ周囲に小さな真空バブルを形成します。
ヘリウム表面からの電子反発 電子は、ヘリウムの気相と液相 の誘電率 の違いにより、液体ヘリウムに引き寄せられます。負の電子は表面のヘリウムを分極させ、 鏡像電荷 を生み出し、それが表面に電子を束縛します 。電子が液体に入ることができないのは、水素 原子が安定しているのと同じ理由、つまり量子力学によるもの です。電子と鏡像電荷は、水素原子の電子と陽子と同様に、最小平均距離で 束縛状態 を形成します。この場合、最小エネルギーは約 1 eV (原子スケールでは中程度のエネルギー量)です[3] 。
電子が液体ヘリウムの表面に浮かぶのではなく、液体ヘリウムの中に押し込まれると、液体の中に入るのではなく、泡を形成します。この泡の大きさは、主に3つの要因（小さな補正は無視）によって決まります。閉じ込め項、表面張力 項、および圧力-体積項です。閉じ込め項は純粋に量子力学的なものであり、電子が強く閉じ込められると、その運動エネルギー は増加します。表面張力項は液体ヘリウムの表面エネルギー を表し、これは水や他のすべての液体とまったく同じです。圧力-体積項は、ヘリウムを泡から押し出すのに必要なエネルギー量です。[4]
E ≈ h 2 8 m R 2 + 4 π R 2 α + 4 3 π R 3 P {\displaystyle E\approx {\frac {h^{2}}{8mR^{2}}}+4\pi R^{2}\alpha +{\frac {4}{3}}\pi R^{3}P} ここで、E は気泡のエネルギー、h はプランク定数 、m は電子の質量 、R は気泡の半径、α は表面エネルギー、Pは 周囲の圧力 である。
2S電子バブル 上記の方程式の解析に基づいて、2S電子バブルは広範囲の周囲圧力下で驚くべき形態的不安定性を示すという理論的予測がなされている[5] 。その 波動関数 は球形であるが、バブルの安定形状は非球形である。
参考文献 ↑ Ramanan, G.; Freeman, Gordon R. (1990 年 9 月) 「低密度ヘリウムおよび窒素ガス中の電子移動度: 極低エネルギーでの運動量伝達断面積」 The Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120– 3126. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063/1.459675 . ISSN 0021-9606 . ↑ Ramanan, G.; Freeman, Gordon R. (1990 年 9 月) 「低密度ヘリウムおよび窒素ガス中の電子移動度: 極低エネルギーでの運動量伝達断面積」 The Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120– 3126. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063/1.459675 . ISSN 0021-9606 .
1. G. Ramanan および Gordon R. Freeman (1990). "低密度ヘリウムおよび窒素ガスにおける電子移動度". Journal of Chemical Physics . 93 (5): 3120. Bibcode : 1990JChPh..93.3120R . doi : 10.1063/1.459675 . 2. CG Kuper (1961). "液体ヘリウム中の負イオンの理論". Physical Review . 122 (4): 1007–1011 . Bibcode : 1961PhRv..122.1007K . doi : 10.1103/PhysRev.122.1007 . 3. WT Sommer (1964). 「電子 に対する障壁としての液体ヘリウム」。Physical Review Letters。12 ( 11 ) : 271–273。Bibcode : 1964PhRvL..12..271S。doi : 10.1103/ PhysRevLett.12.271 。 4. MA Woolf および GW Rayfield (1965). "光電放出による液体ヘリウム中の負イオンのエネルギー". Physical Review Letters . 15 (6): 235. Bibcode : 1965PhRvL..15..235W . doi : 10.1103/PhysRevLett.15.235 . 5. P. Grinfeld および H. Kojima (2003). "2S 電子バブルの不安定性". Physical Review Letters . 91 (10) 105301. Bibcode : 2003PhRvL..91j5301G . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.105301 . PMID 14525485 .
外部リンク 「量子バブルが鍵となる」（プレスリリース）。ニュー・サイエンティスト 。2005年11月25日。 2020年7月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2005年 11月29日 閲覧 。 
