Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 11)
Да и напряжение на пределе прибора — нанавольтметра, измеряющего миллиардные доли вольта.
Но эффект обнаружен, более того — он измерен количественно, лучше того, он — основа самых точных измерений атомных констант, ибо напряжение на барьере пропорционально отношению главных из них — постоянной Планка к заряду электрона.
В этом и заключается причина восхищения физиков открытием Джозефсона и ювелирными работами харьковских ученых.
Туннель в сверхпроводниках — не просто вклад в копилку теоретиков, а нечто гораздо большее.
Первый эффект, по сути дела, подтвердил теорию, что само по себе никакой сенсации не представляло. А вот второй, где раскрылось все своеобразие барьера, вся его неочевидность, явил собой нечто неожиданное и для физиков весьма приятное. Оказалось, что с помощью двух барьеров можно увидеть интерференцию— сложение электронных волн.
Волновые свойства микрочастиц давно уже перестали быть откровением для науки. Но до сих пор подтверждением этого парадоксального факта была лишь дифракция, когда пучок электронов, проходящий через щель, отклоняется от прямолинейного пути, то есть ведет себя, как электромагнитные волны.
На барьере Джозефсона при сложении волн вступает в игру разность их фаз — параметр, ранее не поддававшийся изучению.
Таким образом, наука получила еще одно подтверждение волновой теории, еще одну возможность изучать поведение волн-частиц и даже регистрировать их фазы. И что еще важнее — появилась возможность управлять тонкими квантовыми процессами, создавать с их помощью аппаратуру невиданной точности.
Как уверяют словари, термин «барьер» означает препятствие. Почему же мы говорим о барьере, когда электронные пары пересекают его с завидной легкостью? Название дано не случайно. В некотором смысле это действительно барьер и притом совершенно непреодолимый.
Что будет с электронами, если на пути через барьер их подстегнуть, как, скажем, подстегивают лошадь на скачках? Роль хлыста выполнит обыкновенное электрическое напряжение, приложенное к барьеру. Его и измерял прибор. Естественно, что разогнанная электрическим полем пара должна получить дополнительную порцию энергии.
Тем самым электронные пары оказываются в затруднительном положении. Классическая физика требует от них изменения энергии, чему столь же решительно препятствует теория сверхпроводимости. Все электронные пары должны обладать одной и той же энергией, говорит она. Выйти из этого положения можно лишь при таком условии: пары должны тут же, в пределах барьера, откреститься от добавочного груза энергии, ибо нести его дальше они не имеют права. Но ведь возможности микромира крайне ограниченны: мало того, что передача энергии происходит строго размеренными порциями — квантами, но и вид испускаемой энергии тоже продиктован природой. Это — излучение электромагнитных волн, и только оно.
Значит, электронная пара, подстегнутая на пути через барьер электрическим напряжением, должна испускать квант излучения. И раз пары — сверхпроводниковые близнецы, то и кванты, испущенные ими, также будут совпадать по своим параметрам. Барьер обращает прозаическую энергию батареи постоянного тока в крайне дефицитное коротковолновое излучение, частота которого связана с напряжением на барьере и подвластна движку реостата. Излучение несет богатую информацию о структуре микромира, об его константах — таких, как, скажем, постоянная Планка.
Обычные приборы извлекают из глубины вещества суммарное многоголосье частиц, в котором трудно разобраться, ибо «речь» одной частицы тонет среди общего шума — фона. Все электронные пары, прошедшие барьер, заведомо поют в унисон — голоса их, усиливаясь, сливаются воедино.
Излучение электронных пар нетрудно зарегистрировать. И получается, что с помощью довольно элементарных приборов ученые могут вмешиваться в квантовые процессы, подвергая их скрупулезному исследованию.
Кроме того, появилась возможность создавать аппаратуру СВЧ со свойствами, которые иначе как уникальными не назовешь, поскольку она полностью лишена помех.
Но это еще не все.
Напряжение на барьере Джозефсона, вызывающее излучение, прямо пропорционально заряду электрона. Закономерность эта выполняется с железной точностью, чем и воспользовались метрологи. В палате мер и весов многих государств есть свои эталоны, в том числе вольтовой стандарт — гальваническая батарея, со строго определенной электродвижущей силой. Но с течением времени эталонные батареи, несмотря на все ухищрения, «плывут» — их ЭДС падает. Разница невелика — ничтожные доли процента, но для стандартного прибора недопустимая. Контролируют вольтовые стандарты ячейки Джозефсона. Они — истинные стражи электрических измерений, так как напряжение джозефсоновского барьера зависит лишь от постоянной Планка и заряда электрона — величин заведомо стабильных. Батареи, забракованные при периодической проверке эффектом Джозефсона, без колебаний выкидывают, заменяя их новыми, так как барьер Джозефсона не подвержен влиянию времени. Так метрологи зафиксировали вольтовой стандарт — основу всех единиц электротехники.
Укоренился эффект и в магнитометрии. Ученые Дубны сумели измерить с его помощью магнитное поле в миллионную долю гаммы. А ведь сама «гамма» — ничтожно мала. Она составляет лишь стотысячную часть эрстеда.
Теоретикам известна величина: частное от деления квадрата заряда электрона на произведение двух констант — скорости света в вакууме и постоянной Планка.
Эта величина входит во множество формул современной электроники. Получилось число чисто арифметически и выглядит так:. Но вот с помощью эффекта Джозефсона впервые удалось измерить эту величину непосредственно в эксперименте. Еще один пример блистательного подтверждения теории!
Кроме метрологов, рождение одного из ярких эффектов сверхпроводимости возбудило повышенный интерес у конструкторов электронно-вычислительных машин.
Для них сверхпроводимость — истинная находка. Мгновенное появление эффекта и столь же быстрое его исчезновение по велению внешнего магнитного поля — не что иное, как возможность некой системы пребывать в двух взаимоисключающих положениях — краеугольный камень всей кибернетики. На принципе «да» и «нет» работают элементы всех «думающих» машин. Сначала инженеры использовали радиолампы, потом транзисторы, ферриты, сложные полупроводниковые элементы — словом, различные модификации твердого тела, которое служит кибернетикам истинным кладезем чудес.
Сверхпроводимость указала еще один путь — криогенные ячейки. Причем эффект Джозефсона привлек внимание конструкторов ЭВМ не только тем, что таким способом можно дополнить комплект миниатюрных элементов вычислительной техники, но и уникальной умеренностью в потреблении энергии.
На одну операцию в ячейке ЭВМ, использующих барьеры Джозефсона (когда такие машины появятся, конечно), уйдет всего лишь 10-19 джоуля, что в десять миллионов раз меньше энергозатрат самых экономичных из существующих сейчас микроэлементов вычислительной техники.
Совсем не «между прочим» следует сказать, что этот путь открывает, возможно, перспективу решения задачи, по поводу которой столь давно ведутся ожесточенные споры. Речь идет о «думающих машинах», которые в какой-то степени действительно научатся «мыслить».
Может быть, именно сверхпроводимость поможет преодолеть одно из серьезных препятствий на пути к такой ЭВМ — большое энергопотребление существующих машин и, как следствие, их разогрев. Не преодолев его, нельзя создать сверхкомпактную машину, которая по своей сложности приближалась бы к человеческому устройству.
Ячейки Джозефсона — так думают инженеры — позволят это сделать.
Во всяком случае, для машин самообучающихся, то есть достаточно объемных, ячейки Джозефсона — золотая мечта конструкторов, пока что единственный просвет в чаще технологических трудностей.
За короткий период своего существования эффект Джозефсона прошел путь от своего рода оригинальной физической игрушки, в числе многих других порожденных сверхпроводимостью, до технических устройств, будущее которых рисуется теперь в самых радужных тонах. Харьковские эксперименты, которые должны были лишь подтвердить выкладки английского ученого, оказались гораздо богаче, вызвав к жизни целую группу измерительных приборов, методик и технологических приемов. Недаром, как снежный ком, растет количество публикаций, научных статей и обзоров, и во многих лабораториях мира самым придирчивым образом изучают теоретические, экспериментальные и прикладные аспекты явления, которые при всей своей оригинальности казались вначале лишь простым подтверждением теории сверхпроводимости.
До недавнего времени для ученых было привычным разделение физики твердого тела на две совершенно обособленные части.
Упругость, пластичность, прочность, твердость, жаростойкость, тугоплавкость, восприятие звуковых (акустических) колебаний — словом, все, связанное с ответом твердого тела на внешние механические и тепловые воздействия, определяются основами и особенностями строения его кристаллической решетки.
Электрические, магнитные и оптические свойства вещества связаны со структурами более тонкого порядка. Их механизмы изощреннее, так как зависят они от «поведения» электронов.