Мудрость эксперимента - Борис Иванович Смагин
В лаборатории, где проявил себя любопытный феномен, поставили изящный контрольный опыт, однозначно ответивший на вопрос, почему это происходит.
Для любого сверхпроводящего металла существует свое критическое магнитное поле, которое разрушает сверхпроводимость. В эксперименте харьковских физиков невидимые тенета магнитного поля, уничтожив сверхпроводимость, начисто истребили и таинственный скачок пластичности.
Что же меняется в металле, когда он становится сверхпроводником? Кристаллическая решетка остается прежней, только ионы, ее составляющие, двигаются еще медленнее. Но это не повод для столь резкого скачка в поведении вещества.
Зато исключительные изменения происходят в жизни электронов. Они, как нам это уже известно, объединяются в пары, что тотчас же сказывается на пластичности. Иной причины быть не может. Выходит, до наступления этого момента именно электроны тормозили движение дефектов кристаллической решетки — дислокаций, определяющих пластичность металла.
Это заставило ученых сильно призадуматься и взвесить достоинства установившихся закономерностей.
Во-первых, еще раз прояснилась взаимосвязь явлений, на первый взгляд далеких друг от друга. Во-вторых, физики иначе стали рассматривать роль электронов в различных аспектах поведения твердых тел и металлов. Некоторые ученые вообще говорят о рождении новой металлофизики, где придется учитывать вмешательство электронов в любой из процессов, протекающих внутри металлов. Кроме чисто научных новаций, учет подобного взаимодействия приводит к весьма важным практическим выводам.
Скажем, теперь, быть может, инженеры распутают, наконец, детективную историю таинственного разрушения контактов целого ряда устройств радиоэлектроники, что влечет за собой весьма неприятные последствия.
Ведь многие металловеды считают, что в роли «диверсантов» выступают как раз малютки-электроны, которыми до сих пор пренебрегали. Но их совместные усилия — ученые образно назвали вихрь электронов «электронным ветром» — вполне могут начисто ликвидировать металлические контакты радиотехнических приборов.
Таким образом, заботами экспериментаторов в здании теории твердого тела появились солидные изъяны, на ликвидацию которых брошены крупные силы теоретиков.
С неменьшим упорством советские физики начали расшатывать стройные контуры того самого «странного мира» квантовой механики, о котором писал когда-то Даниил Данин в своей ныне хрестоматийной книге «Неизбежность странного мира».
Энергетический мир электронов твердого тела характерен своей строгой иерархией, которая и диктует четкое деление тел на проводники, изоляторы — диэлектрики и полупроводники.
Вызвано это деление различными энергетическими возможностями электронов. От нуля до какого-то определенного значения электрон может «выбирать» себе любую энергию. Затем следует целая полоса энергий запрещенных: их у электронов быть не может. Однако если электрону дать сильную «встряску» — скажем, с помощью электрического поля или световых лучей, — то он может проскочить запретную зону. Такую возможность он получает тогда, когда порция дополнительной энергии, ее величина не меньше ширины запретной полосы.
Таким образом и появляются три зоны в энергетическом мире электронов. Нижняя — валентная, которая существует у всех твердых тел. Затем промежуточная — «мертвая» зона. И высшая — зона проводимости. Электроны, находящиеся в ней, создают проводимость у металлов. Для изоляторов-диэлектриков эта зона пуста, а щель, отделяющая ее от валентной, беспредельно велика. У полупроводников щель уменьшается: часть электронов под действием тепла, света или электрического поля может переместиться в зону проводимости.
Разделение было четким, сомнениям не подвергалось, так как зависело от строения твердых тел. Так установила природа — значит, так тому и быть. И действительно, как казалось еще недавно, человек ничего не может добавить в эту номенклатуру. Конечно, можно изменить проводимость различного рода примесями — так сейчас и получают новые полупроводники, но это в какой-то степени уже новое вещество. А старые, созданные самой природой, подобным колебаниям не подвержены.
Но вот на кафедре низких температур физического факультета МГУ профессор Н. Б. Брандт и его сотрудники обрушили на образцы подопытных веществ давление в 350 тысяч раз большее атмосферного, создали магнитное поле в миллион эрстед (напомним, что земное магнитное поле составляет лишь 0,2 эрстеда) и подвергли температурному воздействию почти что абсолютного нуля. И дрогнули энергетические устои твердого тела. Причем кристаллическая решетка оказалась в неприкосновенности, а начали перемещаться границы энергетических зон.
Естественно, что физиками двигало не голое любопытство, а желание получить новые состояния вещества, его новые модификации, раскрыть их свойства, выяснить, нельзя ли ими воспользоваться для практических целей. И они добились своего.
Все перемешалось в энергетическом мире. Диэлектрики и полупроводники обнаружили сверхпроводящие свойства. Полуметаллы (есть и такие) объявили себя диэлектриками, на пять порядков (в сто тысяч раз) увеличив сопротивление, металлы делались диэлектриками, а диэлектрики металлами. И, наконец, ученые создали магнитным полем новое состояние вещества, принципиально новую разновидность твердого тела. Существуют теперь проводники, полупроводники, диэлектрики и «бесщелевые» тела, в которых нет запретных энергетических зон. Границы зоны проводимости и валентной зоны сблизились до предела. Для твердых тел такого типа все новое: и электрические, и магнитные, и оптические свойства.
Пока тут не все ясно и понятно. Например, пока нет объяснения переходу полуметаллов под давлением в диэлектрическое состояние, хотя по логике они должны были стать металлами.
Я уже говорил об экспериментальных заботах, вставших перед учеными Казани и Харькова. Физикам МГУ пришлось не легче. Они преодолели массу трудностей, проявив при этом не только трезвый расчет и предельную изобретательность. Главным было филигранное «рукоделие», присущее лишь истинным экспериментаторам.
Четким определением мастерства физиков служит указание, что именно они сделали первыми, где и как определили своих современников. Исходя из этого критерия, следует сказать: магнитное поле в миллион эрстед впервые получено в сравнительно большом объеме на Ленинских горах в МГУ. Расширение воды при замерзании тоже не новость. Природа уже миллионы лет пользуется подобным приемом для разрушения горных пород. Однако система передачи развивающегося при замерзании воды гигантского давления на специальную алмазную камеру с образцами твердых тел, подвергающихся сжатию, создана здесь впервые.
Таким образом, эксперименты всех трех лабораторий, где ученые занялись «крушением устоев», были разнообразны и представляли собой три ипостаси современной физической лаборатории — внушительное оборудование, элегантный опыт и победу изделий «рук своих».
Столь же многогранны практические аспекты этих интересных работ.
Физики Казани развили и умножили методики нового метода исследования вещества — акустической спектроскопии. Акустический резонанс позволил им добраться до самых слабых излучателей радиоактивности, которые раньше оставались невидимками. Теперь можно наблюдать отдельные излучающие ядра. Таково исследовательское направление работ казанских физиков.
Их достижения породили также