Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 12)

Исходя из этого непреложного факта, исследователи и выбирают аппаратуру, а также методы регистрации различного рода эффектов и параметров твердого тела. Скажем, для измерения модуля упругости требуется одно оснащение, а когда речь идет о магнитном поле — другое.

Разграничения были твердыми, обоснованными и не вызывали сомнений, пока не вмешался в дело непоседливый эксперимент.

Физикам давно известно явление парамагнитного резонанса, открытое советским ученым Е. К. Завойским. И давно они нашли ему практическое применение. Избирательное поглощение некоторыми твердыми телами радиоволн связано с особенностью строения электрических и магнитных полей их атомов, то есть отражает «быт» электронов. Тем самым открывается возможность навести кое-какие справки об их внутреннем мире, что, в свою очередь, может прояснить различные стороны «поведения» самого твердого тела.

В той самой Казани, где когда-то был открыт парамагнитный резонанс, ученые решили по аналогии использовать для исследования вещества новый тип разведчиков. Частота колебаний была та же, что у электромагнитных, привычных для парамагнитного резонанса. Но природа импульсов была совсем иная — акустическая. Предполагалось, что такие импульсы могут лишь поколебать слегка кристаллическую решетку; на самом же деле, как выяснилось, они способны вызвать явление, подобное парамагнитному резонансу. Звук ослабевал так, как будто на его пути появлялись своего рода электромагнитные ухабы. Откуда? — удивились ученые. Упругие волны — слишком грубая материя для взаимодействия с электронными системами металла, а как известно, только в них истоки магнитных особенностей вещества, лишь они могут резонансно поглощать волны, но отнюдь не упругие.

В данном случае отгадка была достаточно оригинальной, хотя и находилась в основном русле существовавшей теории. Просто надо было применить ее шире, посмотреть на вопрос глубже.

Конечно, акустические волны сами по себе не волнуют электрическое море, не вызывают на его поверхности ни малейшей ряби. Зато в такт с колебаниями упругих импульсов сотрясается сама кристаллическая решетка. Значит, в колебаниях участвуют составляющие ее ионы — островки положительного электричества в море отрицательных электронов. Эти колебания вызывают к жизни переменные электрические и магнитные поля, которые таким образом появляются в непосредственной близости от электронов. Их-то и поглощают электроны по всем законам привычного для них парамагнитного резонанса. Запущенные в микромир макроснаряды преобразуются и доходят до цели.

Таким образом, оказались взаимосвязанными кристаллическая решетка твердого тела и ее электрическое содержимое, пресловутый «электронный газ». Слон и Моська попали в одну упряжку.

Подобный же вывод сделали ученые далекого от Казани города Харькова, занимавшиеся совсем другими проблемами, основанными на свойствах кристаллической решетки. Они изучали поведение вещества при сверхнизких температурах, и столь же неожиданно наткнулись на связь упругих свойств твердого тела с поведением его электронов.

Эксперименты физиков Казани отличались внушительностью аппаратуры. Наблюдение парамагнитного резонанса требует больших современных установок. Не менее солидно выглядят ультразвуковые генераторы.

Харьковские ученые провели очень тонкие эксперименты, где поистине пуританская строгость приборного оформления соединялась с блестящей выдумкой, когда смысл непонятного явления и его причины вдруг прояснились до абсолютного тривиального уровня.

Сотрудники Харьковского физико-технического института низких температур подвергли также тщательному анализу реакцию охлажденных металлов на внешние нагрузки. Оказалось, что по мере приближения к абсолютному нулю пластичность металлов увеличивается. Никто из физиков, разумеется не застыл от удивления перед этим фактом. Наблюдение казалось вполне очевидным. Чем ниже температура, тем меньше препятствий возникает на пути движущихся под действием внешних сил слоев вещества, и становится тело более пластичным.

Неочевидность сказалась при очень низких температурах. Пластичность вдруг увеличилась скачком и довольно заметным. Произошло это в тот самый момент, когда испытуемый металл перешел в сверхпроводящее состояние.

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.