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.

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).

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.