Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Еще через несколько лет в Институте физических проблем удалось разработать неожиданно простую методику, с помощью которой структуру промежуточного состояния можно было увидеть просто, как говорится, невооруженным глазом. Над образцом распыляли тонкий железный или никелевый порошок, который притягивался нормальными областями, оставляя чистыми сверхпроводящие области. Перед учеными открылось бесконечное разнообразие узоров, состоящих из зигзагов, веточек, пятнышек, очень красивых, но слишком сложных для сопоставления с теорией.

В то время, когда делалась эта работа, и встал вопрос: какой вид будет иметь промежуточное состояние, если через образец пропустить электрический ток? Проще всего было предположить, что возникнет какое-то новое, еще более запутанное расположение слоев. Голландский физик Гортер указал и на более интересную возможность. При определенных условиях, считал он, сверхпроводящие слои должны двигаться по образцу, так как электрический ток будет концентрироваться в сверхпроводящих «жилках», и они, эти сверхпроводники в проводнике, начнут двигаться в магнитном поле, подобно ротору электромотора.

Предположение Гортера было проверено на опыте, показалось, что слои двигаться «не хотят». Они располагались поперек направления тока и оставались неподвижными. Но вот в Институте физических проблем испробовали новый метод, основанный на том, что движение слоев вблизи контакта тонкой проволочки с образцом приводит к колебаниям сопротивления, а их нетрудно измерить. С помощью этого метода было гораздо легче заметить движение слоев, чем с помощью магнитного порошка.

Исследования, проведенные этим методом, показали, что если образец достаточно чист и однороден, то движение сверхпроводящих слоев скорее является правилом, чем исключением. Можно расположить на поверхности образца два микроконтакта на небольшом расстоянии друг от друга и таким образом определить направление и скорость движения слоев. Скорость эта довольно мала — обычно лишь тысячные доли сантиметра в секунду, примерно с такой скоростью движется конец минутной стрелки наручных часов. И всегда существует одно исключительное направление слоев, при котором они стоят на месте. Если образец недостаточно однороден, то слои «зацепляются» за эти неоднородности, поворачиваются и вытягиваются, как флаг по ветру.

Так была выяснена еще одна интересная деталь во взаимодействии магнитного поля и сверхпроводимости, — той самой сверхпроводимости, которую пристально изучает физика и с которой связаны большие надежды техники.

Проблемам физики твердого тела на сессии было посвящено еще несколько докладов. В одном из них подводились итоги интересным работам, выполненным физиками Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Наряду с добыванием энергии и информации основой материального прогресса является и преобразование вещества. Сюда прежде всего относятся химические преобразования — создание новых молекул из стандартного набора атомов, изменение архитектуры молекул, изменение молекулярного состава вещества.

Так мы получаем нейлон из нефти или спирты из газов. Но химия— это далеко не последняя ступень на иерархической лестнице сотворения вещества. Начало века ознаменовалось тем, что физики научились переделывать атомное ядро, превращая, например, азот в углерод или уран в плутоний. Работа, о которой шла речь, была посвящена преобразованию вещества путем изменения электронной структуры его атомов.

Свойства любого атома, как известно, определяются не только числом электронов на орбитах, но и их энергией. Чем ближе электрон к ядру, тем сильнее он связан с ядром, тем ниже, как принято говорить, энергетический уровень этого электрона.

Энергетический спектр электронов — это, если можно так сказать, набор энергетических уровней всех электронов атома: изменить этот спектр — значит переконструировать электронные оболочки атомов вещества, изменить его свойства.

Основной метод, применявшийся в этих исследованиях, — комплексное воздействие на вещество. Не просто сверхнизкие температуры, не просто сверхсильные магнитные поля или сверхвысокие давления, а различные комбинации этих факторов. При этом удалось обнаружить немало интересных фактов.

Так, например, при давлении 30 МПа была открыта сверхпроводимость фосфора. Были выяснены причины загадочного исчезновения примеси при создании некоторых сплавов. Оказалось, что в веществе могут возникать тончайшие пластинки нерастворенной примеси.

А вот и вывод: электронный спектр вещества можно радикально менять и при этом, с одной стороны, можно создавать вещества с новыми свойствами, а с другой стороны, — и это особенно важно — исследовать общие закономерности формирования электронного спектра. Очевидно, отметил докладчик профессор Н. Б. Брандт, настало время изменить мнение о незыблемых свойствах вещества, в частности об абсолютном характере таких понятий, как «металл» и «полупроводник».

Физика твердого тела — это область фундаментальных исследований, с успехов которой начинается современная полупроводниковая электроника. Вот уже несколько десятилетий ведутся в этой области глубокие исследования, неизменно привлекающие внимание техники. Это относится и к исследованию экситонов — еще недавно не более чем гипотетических объектов физики твердого тела. Именно им были посвящены два следующих доклада.

Экситон (от слова «экситейшн» — «возбуждение») — это особое возбужденное состояние атомов кристалла, возникающее, например, под действием светового излучения. Экситоны — их принято рассматривать как некие подвижные частицы — были предсказаны в 1931 г. известным советским теоретиком Я. И. Френкелем и примерно 20 лет спустя экспериментально обнаружены в полупроводниках группой ленинградских физиков.

Представление об экситонах позволяет понять многие тонкие механизмы взаимодействия света с полупроводником. В первом из докладов рассматривались механизмы, связанные с исчезновением экситона при превращении его в световой импульс (например, в экситоновых лазерах). Второй доклад был посвящен поведению экситонов в сильном магнитном поле. Удалось получить уникальную информацию о строении полупроводников и изучить новый тип экситонов, возникающих в сильном поле. Экситонная тематика все больше интересует не только физиков, но и инженеров. И вполне вероятно, что слово «экситон», которым сегодня пользуется сравнительно узкий круг специалистов, станет таким же общеизвестным, как «атом» или «электрон». А рядом с электроникой появится самостоятельная область техники — экситоника.

Читать дальше