Введение
Английский физик, лауреат Нобелевской премии сэр Невилл Фрэнсис Мотт (30 сентября 1905 – 8 августа 1996) был британским физиком, удостоенным Нобелевской премии по физике в 1977 году за исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем, в особенности аморфных полупроводников. Премию разделили с Филиппом У. Андерсоном и Дж. Х. Ван Влеком. Работы этих трех ученых были лишь косвенно связаны между собой. Мотт и Андерсон объяснили, почему магнитные или аморфные материалы в одних случаях проявляют металлические свойства, а в других – изоляционные.
Sir Nevill Francis Mott (30 September 1905 – 8 August 1996) was a British physicist who won the Nobel Prize for Physics in 1977 for his work on the electronic structure of magnetic and disordered systems, especially amorphous semiconductors. The award was shared with Philip W. Anderson and J. H. Van Vleck. The three had conducted loosely related research. Mott and Anderson clarified the reasons why magnetic or amorphous materials can sometimes be metallic and sometimes insulating.
Образование и ранние годы жизни
Мотт родился в Лидсе в семье Чарльза Фрэнсиса Мотта и Лилиан Мэри Рейнольдс, внучки сэра Джона Ричардсона и правнучки сэра Джона Генри Пелли, 1-го баронета. Мисс Рейнольдс окончила Кембриджский математический трипос и была лучшей студенткой-математиком своего курса в Кембридже. Его родители познакомились в лаборатории Кавендиша, где оба занимались физическими исследованиями под руководством Дж. Дж. Томсона. Невилл рос сначала в деревне Гигглсвик, в Западном Йоркшире, где его отец работал старшим преподавателем естественных наук в школе Гигглсвик. Его мать также преподавала математику в этой школе. Семья переехала (в связи с работой отца) сначала в Стаффордшир, затем в Честер и, наконец, в Ливерпуль, где его отец был назначен директором департамента образования. Мотта сначала обучала дома его мать. В десять лет он начал посещать Клифтонский колледж в Бристоле, а затем поступил в колледж Святого Иоанна при Кембриджском университете, где изучал математический трипос под руководством Р. Х. Фаулера.
Карьера и исследования
В 1929 году Мотт был назначен лектором в физическом отделении Манчестерского университета. В 1930 году он вернулся в Кембридж в качестве стипендиата и лектора Гонвильского и Кайусского колледжа, а в 1933 году перешел в Бристольский университет в качестве профессора теоретической физики имени Мелвилла Уиллса. В 1948 году он стал профессором физики имени Генри Овертона Уиллса и директором физической лаборатории имени Генри Герберта Уиллса в Бристоле. В 1954 году он был назначен профессором физики в Кембридже, эту должность он занимал до 1971 года. Он сыграл ключевую роль в болезненной отмене запланированного ускорителя частиц из-за его чрезвычайно высокой стоимости. Он также был магистром Гонвильского и Кайусского колледжа в 1959–1966 годах. Его ранние работы были посвящены теоретическому анализу столкновений в газах, в частности столкновению с инверсией спина электрона с атомом водорода, что стимулировало последующие работы Андре Бландена и Джун Кондо о подобных эффектах между электронами проводимости, а также магнитные свойства металлов. Эта деятельность привела Мотта к написанию двух книг. Первая, отредактированная совместно с Ианом Снеддоном, дает простое и ясное описание квантовой механики с акцентом на уравнение Шредингера в реальном пространстве. Вторая описывает атомные и электронные столкновения в газах, используя вращательную симметрию электронных состояний в методе Хартри — Фока. Но уже в середине 1930-х годов интересы Мотта расширились и охватили твердое тело, что привело к написанию еще двух книг, оказавших значительное влияние на развитие этой области в годы до и после Второй мировой войны. В 1936 году «Теория свойств металлов и сплавов» (написанная совместно с Х. Джонсом) описывает упрощенную структуру, которая привела к быстрому прогрессу. Концепция почти свободных валентных электронов в металлических сплавах объясняла особую стабильность фаз Юма — Ротери, если ферми-сфера sp-валентного электрона, рассматриваемого как свободный, рассеивалась границами зоны Бриллюэна атомной структуры. Описание примесей в металлах с использованием приближения Томаса — Ферми объясняло, почему такие примеси не взаимодействуют на больших расстояниях. Наконец, делокализация валентных d-электронов в переходных металлах и сплавах объясняла возможность выражения магнитных моментов атомов в виде долей магнитонов Бора, что приводило к ферромагнитному или антиферромагнитному взаимодействию на коротких расстояниях. Этот последний вклад, представленный на первой международной конференции по магнетизму, проходившей в Страсбурге в мае 1939 года, поддержал аналогичные точки зрения, отстаиваемые в то время во Франции будущим нобелевским лауреатом Луи Неэлем. В 1949 году Мотт предложил Жаку Фриделю использовать подход, разработанный совместно с Марвеем, для более точного описания экранирования электрического поля примеси в металле, что привело к характерным колебаниям заряда на больших расстояниях. Фридель также использовал концепцию виртуального связанного уровня, разработанную в этой книге, для описания ситуации, когда рассматриваемый атомный потенциал недостаточно силен для создания (реального) связанного уровня симметрии e ≠ o. Последствия этих замечаний для более точных подходов к сплоченности в rp, а также в d-металлах в основном были разработаны его учениками в Орсе. Вторая книга, написанная совместно с Рональдом Уилфредом Гурни, «О физической химии твердых тел», была более широкой. В ней, в частности, рассматривалось окисление металлов при низких температурах, где описывался рост оксидного слоя как результат электрического поля, развивающегося между металлом и адсорбированными ионами кислорода, которое могло бы проложить путь металлическим или кислородным ионам через неупорядоченный оксидный слой. В книге также анализировались фотографические реакции в ионных соединениях серебра с точки зрения осаждения ионов серебра в металлические кластеры. Эта вторая область оказала прямое и долгосрочное влияние на исследовательскую деятельность Джона (Джека) Митчелла. Достижения Мотта включают теоретическое объяснение влияния света на фотографическую эмульсию (см. скрытое изображение). Его работа по окислению, помимо стимулирования новых исследований в этой области (в частности, J. Bénard и Николаса Кабреры), была основой концепции запрещенной зоны, создаваемой в полупроводниках градиентами в распределении донорных и акцепторных примесей. Во время войны Мотт работал над ролью пластической деформации в развитии трещин разрушения. Вернувшись в Бристоль после войны, его встреча и найм Фредерика Чарльза Фрэнка позволили им обоим добиться значительного прогресса в изучении дислокаций с помощью других, таких как Фрэнк Набарро и Алан Коттрелл. Бристоль стал важным центром исследований в этой области, особенно в конце 1940-х годов. Хотя Мотт внес лишь ранний и несколько незначительный вклад в эту область, в частности, в упрочнение сплавов с Набарро и в топологию сети дислокаций, снижающую кажущиеся упругие постоянные кристалла, нет сомнения в том, что энтузиазм Мотта сыграл свою роль в трех основных шагах вперед в этой области, сделанных Ф. К. Фрэнком в области роста кристаллов и пластичности, а позже в Кембридже П. Хиршем в области электронно-микроскопической съемки тонких пленок. В то же время Мотт много размышлял об электронных корреляциях и их возможной роли в соединениях Вервея, таких как оксиды никеля, которые могут переключаться с металлов на неметаллические изоляторы при различных физических условиях — это известно как переход Мотта. Термин «изолятор Мотта» также назван в его честь, как и многочлены Мотта, которые он ввел.
Публикации
Н. Ф. Мотт возродил старый Philosophical Magazine и превратил его в оживленное издание, посвященное в основном новой области физики твердого тела, привлекая авторов, читателей и широкий общественный интерес. Получив статью Фредерика Зайца о точечных дефектах в кристаллах, которая явно превышала объем, допустимый для журнала, Мотт решил создать новое издание – Advances in Physics – для подобных обзорных статей. Обе публикации остаются активными по состоянию на 2017 год. Н. Ф. Мотт, "Волновая механика α-частичных треков", Proceedings of the Royal Society (1929) A126, стр. 79–84, (переиздано как Sec. I 6 в книге "Квантовая теория и измерения", Дж. А. Уилер и В. Х. Зюрек, (1983) Принстон). Н. Ф. Мотт, Metal Insulator Transitions, второе издание (Taylor & Francis, Лондон, 1990)., Н. Ф. Мотт, A Life in Science (Taylor & Francis, Лондон, 1986)., Н. Ф. Мотт, Х. Джонс, The Theory of Properties of Metals and Alloys (Dover Publications Inc., Нью-Йорк, 1958). Брайан Пиппард, Невилл Фрэнсис Мотт, Physics Today, март 1997, стр. 95 и 96: (pdf).
N. F. Mott, A Life in Science (Taylor & Francis, London, 1986). ,
N. F. Mott, H. Jones, The Theory of Properties of Metals and Alloys, (Dover Publications Inc., New York, 1958)
Brian Pippard, Nevill Francis Mott, Physics Today, March 1997, pp. 95 and 96: (pdf).
Награды и почести
В 1977 году Невилл Мотт был удостоен Нобелевской премии по физике совместно с Филиппом Уорреном Андерсоном и Джоном Хасброком Ван Влеком "за фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем". Известие о присуждении Нобелевской премии застало Мотта за обедом в ресторане Die Sonne в Марбурге, Германия, во время визита к коллеге-физику в Марбургском университете. В 1936 году Мотт был избран членом Королевского общества (FRS). В 1957 году Мотт занимал пост президента Физического общества. В начале 1960-х годов он был председателем британской группы Пагуоша. В 1962 году он был удостоен рыцарского звания. В 1972 году Мотт получил почетную докторскую степень Университета Хериот-Ватт. В 1981 году Мотт стал одним из основателей Всемирного культурного совета. Он продолжал работать до 90 лет. В 1995 году он был удостоен членства в ордене Почетных спутников. В 1995 году Мотт посетил физический факультет Университета Лофборо и прочитал лекцию под названием "65 лет в физике". Университет продолжает ежегодно проводить лекцию имени сэра Невилла Мотта.
Личная жизнь
Мотт был женат на Рут Элеонор Хордер и имел двух дочерей, Элизабет и Элис. Он умер в Милтон-Кинсе 8 августа 1996 года в возрасте 90 лет, в графстве Бакингемшир. Его автобиография «Жизнь в науке» была опубликована в 1986 году издательством Taylor & Francis. Его прадедом был сэр Джон Ричардсон, исследователь Арктики.