Лука Турин - Секрет аромата. От молекулы до духов. Как запах становится произведением искусства

Каждый раз, когда вы щелкаете выключателем, электроны пробивают себе туннели в тонком слое окиси, грязи и прочего, что скопилось на поверхности тумблера: начинает течь ток. Причина того, что серьезное изучение этого феномена началось только в конце 1900-х гг., проста: как можно было узнать, что не существует маленьких островков в точке контакта между металлами, если два провода в этом месте прочно спаяны в неразрывную цепь? Иными словами, как узнать разницу между электроном, который пробил туннель, и электроном, который просто пролетел в месте спайки, не покидая комфортной атмосферы металлического окружения? До 1959 г. ответ был один: никак. Любой эксперимент, направленный на демонстрацию туннелирования тока, был обречен на неудачу простым вопросом из зала: «Откуда вы знаете, что там нет спайки?»

Так было до тех пор, пока не появился Айвор Джайевер. Дипломированный инженер, он работал в Политехническом институте Ренсселера. Будучи специалистом по изучению поверхностей, он создал устройство по принципу «металл-изолятор-металл», при этом слой изолятора был достаточно тонок, чтобы пропускать ток. Затем его посетила блестящая мысль: охладить металлы в жидком гелии. При нормальной температуре кусок металла — словно офисное здание: по всем этажам, снизу доверху, снуют электроны. Каждый этаж — энергетический уровень, и на каждом этаже есть место ровно для одного электрона. Кусок металла площадью в квадратный дюйм содержит огромное количество таких уровней, примерно столько же, сколько атомов в этом куске.

Если взять два куска металла и подсоединить их к противоположным полюсам батареи, произойдет следующее. Энергетические уровни в металле, соединенном с отрицательным полюсом, поднимутся на определенную величину, эквивалентную напряжению батареи. Это как каждый электрон на одном конце поднимется на несколько этажей. Если соединить два куска металла достаточно плотно для того, чтобы электроны могли пробивать туннели, электроны на заполненных этажах поверхности отрицательно заряженного куска металла увидят пустые этажи через границу и устремятся туда. Те, которые находятся на нижних заполненных этажах здания, улететь не могут, потому что некуда.

Ток идет по туннельному переходу между металлами в обычном состоянии (вверху) и металлами в состоянии сверхпроводимости (внизу). В обычных металлах туннелированный ток (правый график) пропорционален напряжению и неотличим от нормального движения тока. В сверхпроводящих металлах зонированные энергетические уровни дают характерное ступенчатое изменение движения тока при изменении напряжения.

Ток, текущий слева направо, будет просто пропорционален количеству заполненных этажей, перед которыми располагаются пустые, а это, в свою очередь, напрямую зависит от напряжения батареи. Иными словами, ток будет пропорционален напряжению батареи. Вот почему в начале изучения процесса туннелирования возникало много сложностей. Поток электронов, проходящий через маленький контакт пайки, тоже пропорционален напряжению, хотя и совсем по другим причинам. И было трудно разделить два типа потоков.

Джайевер особо интересовался сверхпроводимостью, удивительным феноменом, который возникает, когда металлы охлаждают до температуры жидкого гелия. В то время полагали, что основной причиной сверхпроводимости является то, что энергетические этажи заполняются по различной схеме: заполненные этажи до определенного уровня, потом пробел, а затем снова фиксированное количество заполненных этажей. Джайевер понял, что может проверить эту гипотезу с помощью электрического эксперимента. Если изменить напряжение, то вся схема, промежутки и этажи, изменятся соответственно. Если разместить сверхпроводящие металлы с таким причудливым заполнением этажей друг напротив друга и менять напряжение, то можно увидеть бугры и впадины в движении тока, обусловленные положением заполненных этажей и промежутков относительно друг друга. Именно это к своему удивлению, удовольствию и бессмертной славе увидел Айвор Джайевер. Он описал эффект в публикации 1959 г. и в 1973 г. был удостоен за это Нобелевской премии. Джайевера в первую очередь интересовало поведение электронов при низких температурах, но одним из непреднамеренных побочных эффектов его работы стало то, что люди впервые поверили в наличие туннельных токов. Если в любой момент эксперимента вы подозреваете, что два куска металла вступили в непосредственный контакт, нужно всего лишь поместить их в жидкий гелий. Если электрический ток будет выглядеть странно, значит, вы наблюдаете эффект туннелирования.

Яклевич и Ламбе решили выяснить, можно ли наблюдать небольшие пульсации тока даже в обычных металлах при температуре выше жидкого гелия. Некоторые теоретики предсказывали их существование, но Яклевич и Ламбе были уверены, что к предсказаниям теоретиков следует относиться с большой долей скепсиса. Физика необычна тем, что люди в этой области обычно занимаются либо теорией, либо экспериментами, и редко тем и другим одновременно. Экспериментаторы посмеиваются над кабинетными генералами, которые посылают их на бессмысленные задания или объявляют невозможным то, что иногда оказывается очень простым. И наоборот, теоретики часто высмеивают хваленых радиолюбителей, которые, наткнувшись на гениальную идею, имеют дерзость сомневаться, стоит ли тратить годы, чтобы проверить ее опытным путем. Впрочем, чаще всего они не могут жить друг без друга.

Чтобы проверить гипотезу о существовании небольших, но существенных пульсаций в линейной кривой электротока, Яклевичу и Ламбе пришлось создать более качественные «переходы», как теперь стали называть устройства типа «металл-изолятор-металл». Им нужно было получить туннелированный ток, регулируя толщину изолятора. Слишком сильный ток — сгорит изоляционный слой, слишком слабый — сигнал будет трещать, как в дефектной телефонной линии, и ничего не поймешь. Яклевич создавал переходы, Ламбе конструировал чрезвычайно сложную электронику, необходимую для измерения тока и изменения напряжения. Затем они приступили к экспериментам. Их усовершенствованные, чистые, бесшумные приборы позволили им использовать гораздо более высокое напряжение. До сих пор все, кто подходил к краю этого пруда, позволяли себе лишь несколько милливольт (1000 милливольт = 1 вольт) с каждой стороны из опасения повредить устройство. Они смело стали усиливать ток, и в итоге их тонкие «переходы» смогли выдерживать напряжение вплоть до 1000 милливольт.