Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 7)
Методы изучения структур, особенностей и всякого рода внутренних процессов твердого тела вообще — громадный раздел измерительной техники. Тут используются все новейшие достижения науки, любой способ так или иначе проникнуть внутрь вещества.
И «щелчки из микромира» — один из щупов, который создала на сей предмет услужливая природа.
Новые методы исследования всегда вызывают подражание у представителей смежных областей науки. «По соседству» с ферромагнетиками расположились весьма любопытно устроенные вещества — сегнетоэлектрики.
По отношению к электрическому полю они ведут себя подобно ферромагнетикам в поле магнитном. Тут тоже есть свои электрические домены — правда, не магниты, а большие диполи. Домен ферромагнетика обладает двумя магнитными полюсами. У сегнетоэлектрика существуют полюса электрические. И точно так же, поляризовавшись во внешнем поле, сегнетики и без него будут частично поляризованными, поскольку наиболее дисциплинированные домены остаются в строю.
В 1672 году французский аптекарь Пьер де ла Сеньет из отходов виноделия получил бесцветную соль, которая впоследствии оказалась, по выражению академика А. П. Александрова, «золотой жилой для физиков». Сначала было обнаружено, что она обладает так называемой оптической активностью, потом — пьезоэффектом, а в 1920 году — свойством поляризации в определенной области температур при отсутствии внешнего электрического поля. Целый класс подобных веществ, то есть сегнетоэлектриков (в названии увековечено имя первооткрывателя знаменитой соли — Сеньета), некоторое время не имели никакого технического применения, к ним довольно долго относились, как к забавной игре природы. Но сейчас ситуация резко изменилась. Сегнетики использует радиотехника и вычислительная техника. Пьезокристаллы в наших радиолах — это тоже сегнетики. А дальнейшие перспективы выглядят величественно — тут и прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, и лазерная техника, и многое другое.
Недаром группа советских ученых за работы по изучению структур и различного рода свойств сегнетоэлектриков получила Государственную премию за 1975 год. Именно эти работы послужили основой для синтеза целого ряда новых материалов электронной техники.
Сегнетики — один из важнейших материалов современной радиоэлектроники, ее надежда. Следовательно, необходимо как можно подробнее и тщательнее исследовать эти необычайные вещества.
Естественно, что физики сразу же решили позаимствовать метод анкетирования у ферромагнетиков: раз ситуации столь сходные, поляризацию сегнетиков должны, по-видимому, сопровождать аналогичные эффекты. Первые опыты подтвердили это предположение.
Поначалу казалось, что нужно лишь применить к новым веществам весь опыт, накопленный при исследовании ферромагнетиков, все методики, все установки. И ничего принципиально нового делать не надо.
Однако полной аналогии физика не знает. Общность некоторых черт предполагает существенное различие в деталях. Проявляются своего рода нюансы, но в них и содержится главная информация.
Так что ученые Калининского университета, которые под руководством доцента Владимира Рудяка занялись исследованием скачков в сегнетоэлектриках, отнюдь не были эпигонами. И «старые» исследовательские методы оказались новее самых новых.
Метод, разработанный в Калинине, чрезвычайно быстро перешел от стандартной лекционной демонстрации общеизвестного эффекта в разряд солидных металловедческих методик, которыми теперь пользуются по всему Союзу. И любого выпускника физфака, который, как и я, когда-то знакомился с эффектом Баркгаузена на лекциях общей физики, приятно поражает та новизна, что предстает в экспериментах калининских ученых. Они просты внешне, эти работы, сочетающие традиции исследователей твердого тела с тем новым, что привнесли в лабораторию последние годы...
...Я сижу в большой, довольно плотно заставленной комнате. По длинной трубе самодельного реостата скользит движок, ведомый часовым механизмом. Медленно меняется подвластное реостату электрическое поле. И домены крохотного кристалла отзываются на изменение поля скачками Баркгаузена, а уже они — пиками на экране осциллографа и импульсами пересчетной радиосхемы.
Так фиксируются все перемещения доменов сегнетоэлектрика с длинным названием «триглицинсульфат», или сокращенно ТГС.
В комнате тихо. Никаких посторонних звуков. Давно исчезли из обихода лаборатории шумливые механические счетчики — запись идет по миганию неоновых лампочек пересчетных схем или ее ведет специальный самописец.
Практически неслышно передвигается движок реостата, беззвучно перемигиваются «неонки», то здесь, то там на экране осциллографа проскакивают вертикальные полоски. И все это отражает бурную жизнь во внешне молчаливом кристалле сегнетоэлектрика.
Пиков все больше и больше — поле нарастает, домены перестраиваются, образуя новые (в сегнетоэлектриках и такое бывает). Но вот электрическая буря начинает стихать. Лишь одинокие вертикальные всплески бороздят экран осциллографа.
Скачки Баркгаузена — «инструмент» чрезвычайно тонкий. Скачками двигаются не целые домены, а их отдельные фракции, примерно в тысячу раз меньшие по объему. Посему и вскрывают они более тонкую структуру, чем обычные, привычные для физиков регистраторы жизни доменов — ведь и ферромагнетики и сегнетоэлектрики изучают не одно десятилетие.
Но как понять и вскрыть всю ту информацию, какую несут эти щелчки? Если снова обратиться к примеру теоретика кибернетики Эшби, только опытный инженер-связист поймет, что означают посторонние шумы телефонной трубки.
Вся подобная информация для неспециалиста подобна письменам давно исчезнувших народностей. Мало зарегистрировать сигналы, идущие из глубин твердого тела. Надо их расшифровать.
Я помню, как мне однажды показали рентгенограмму кристалла белка. Ученые были в восторге, они буквально вырывали снимок друг у друга, глаза их блестели, тысячу подробностей о строении этого белка услышал я по ходу объяснения снимка — подробностей, почерпнутых из картинки, самое мягкое определение для которой, по моему мнению, было бы «туманная».
Однако авторы туманного снимка великолепно понимали, что именно там запечатлено. Более того, они сделали количественные выводы, провели точные расчеты, исходя из той самой фотопленки, которую я просто посчитал бы засвеченной.
Точно так же обстоит дело и с всплесками на экране осциллографа. Калининские физики научились разбирать «письмена природы», как давно знакомые, привычные тексты, и разработали своего рода словарь для непосвященных в тайны сегнетоэлектричества.
Эффект Баркхаузена оказался удивительно универсальным. Практически все, что происходит в сегнетоэлектрике, все особенности его структуры и внутренней жизни, любые реакции на внешнее вмешательство можно определить — и притом количественно, — регистрируя и анализируя скачки, проявляющиеся на экране. И движение доменных стенок, и смыкание доменных границ, и образование зародышей, и всю геометрию доменной структуры. В многочисленных лабораториях НИИ и на различных производствах появились после работ калининских физиков подобные измерительные установки. Ведь сегнетики теперь распространились очень широко. И везде изучают, регистрируют скачки Баркгаузена. Пожалуй, в богатом наборе современной науки вряд ли найдется еще один такой всеобъемлющий метод. К тому же он чрезвычайно прост по оборудованию.
Внешний вид установок лаборатории довольно однообразен. Осциллограф, на экране которого проявляют себя скачки, пересчетная схема, где их подсчитывают, усилитель «шума» доменов, записывающее устройство.
Ну и, конечно, кое-какие дополнения.
Нужно освещать сегнетик, дабы изучать его реакцию на свет, — в лаборатории стоит обычный добротный монохроматор, стандартный лабораторный прибор.
Почти все вещества настороженно относятся к ультразвуку — атмосферу комнаты отравляет запахом прогорклого трансформаторного масла мощный генератор ультразвука.
— Домены сегнетика «ползут» в веществе под действием внешних сил. Вопрос в том, как они будут перемещаться — вдоль поля или поперек? Если они двигаются «с загибом», то тотчас же отзовутся скачками Баркгаузена. И сегнетик подвергают механическим нагрузкам.
Лаборатории калининцев настраивают на патриархальный лад. Вспоминаются «добрые старые времена», когда сидели возле установок, собранных своими руками, следили за показаниями самодельных приборов почтенные ученые мужи в сюртуках с длинными фалдами. И будущее науки целиком зависело от их экспериментаторского мастерства.
Здесь оборудование стандартное, так сказать, серийное. Но стандартны лишь основные узлы установок. Они сами — предмет кропотливой исследовательской работы, образец эксперимента, основанного на точно разработанной методике и великолепно исполненного.
Такова практика настоящего современного эксперимента — собрать в основном из стандартных узлов уникальную установку, предназначенную лишь для данного опыта.
Это сейчас мне хорошо смотреть на экран осциллографа, лицезреть сравнительно большие пики скачков Баркгаузена. А сколько месяцев возились физики, чтобы очистить сигнал, — помехи во много раз превышали эффект, и либо его вообще нельзя было регистрировать, либо, что еще хуже, за него принимали всевозможные шумы установки и посторонние наводки.