Яков Гегузин - Живой кристалл

Теперь о ветре вакансионном. Его возникновение удобно объяснить на следующем простом примере. Представим себе, что кристалл, состоящий из атомов сорта A , плотно прижат к кристаллу, который состоит из атомов сорта В. При высокой температуре начнется диффузионное перемещение атомов обоих сортов. Двигаться они будут навстречу друг другу, чтобы в конце концов произошло их полное перемешивание и образовался однородный раствор. Мы предполагаем, что в принципе образование такого раствора энергетически оправдано и, следовательно, он должен образовываться. И еще одно предположение: атомы обоих сортов перемещаются по вакансиям. И, наконец, последнее предположение, точнее, не предположение, а констатация почти всегда осуществляющегося обстоятельства: атомы сорта А и сорта В перемещаются с разными скоростями. Слова «почти всегда» оправдываются элементарной логикой: у двух величин есть всего один способ совпадать, который заключается в том, чтобы оказаться совпадающими, а способам различаться — нет числа!

Итак, два встречных потока атомов обусловливают наличие двух встречных потоков вакансий. Так как потоки атомов различны, различными оказываются и встречные потоки вакансий. А это означает, что существует направленный поток вакансий, который является разностью двух встречных вакансионных потоков. Вот он-то и обусловливает «вакансионный ветер», дующий по направлению к тому кристаллу, чьи атомы диффундируют быстрее.

Что он может, этот ветер? «Сдувать» диффундирующие атомы! Но делает он это очень своеобразно. Поток вакансий, направленный, скажем, к источнику атомов сорта А , будет подавать им транспортное средство в виде вакансий, и те, таким образом, помогут этим атомам двигаться... против ветра. Направленный поток вакансий оказывается как бы отрицательным ветром, так как «сдувает» атомы не от себя, а на себя. Немного курьезно, но убедительно: ведь ветер создают не материальные атомы, а «атомы пустоты»!

В специально поставленных опытах оказалось, что отрицательный ветер вакансий — вполне реальный ветер, который заметно вмешивается в процесс диффузионного перемешивания атомов разных сортов.

Здесь хочется сделать замечание, карающееся модельного термина «вакансионный ветер». Этот термин существенно менее оправдан, чем термин «электронный ветер». Дело в том, что «дующая» вакансия атому не передает импульс, как это делает «дующий» электрон. А для истинного ветра передача импульса — главный признак. Именно поэтому «вакансионный ветер» — термин менее оправданный, лежащая в его основе модель используется лишь в меру чисто внешнего признака: подобно частицам в истинном ветре, в «вакансионном» вакансии перемещаются направленно. И только!

По поводу двух слов, фигурирующих в названии главы, — «дефекты» и «заселение» — с читателем следует объясниться.

Вначале о слове дефект. В будничном понимании слова, «дефект» — это плохо! Это то, чего надо не допускать, с чем надо бороться, что надо исправлять или, в иных случаях, вуалировать. В качестве синонима часто употребляют слово «брак», а это уж вне сомнения плохо! В гамме красок слову «дефект», как правило, принадлежит черная краска! Однако употребляемое применительно к кристаллу, оно выглядит существенно многокрасочнее. Иногда «дефект» — не позор, а доблесть кристалла!

Будем считать, что дефектом является любое отклонение от идеальной правильности в строении кристалла, когда каждый атом находится в узле кристаллической решетки и каждый узел замещен одним атомом. Так вот, такая бездефектная идеальность — фикция, в кристалле имеются и те дефекты, которые ему предписаны законами физики и, следовательно, которые кристалл обязан в себе поселить в качестве непременных признаков жизни, и те дефекты, которые в нем поселены насильно при росте кристалла или в процессе его службы.

Издавна слово «кристалл» употребляется с эпитетами «чистый», «совершенный», «прозрачный», «сияющий». В кристалле, однако, обнаружилось множество дефектов, и иной раз кажется, что в нем не остается места совершенству. Серьезно говоря, это опасение не имеет оснований, так как в формировании дефектов в кристаллах, даже далеких от совершенства, принимает участие сравнительно малая доля всех атомов. И все-таки добросовестный реестр дефектов длинен и со временем удлиняется.

Каждый из дефектов — достойный объект и исследования, и популярного рассказа о нем. Кристалл жив своими дефектами, они и его сила, и слабость, и цепкая память, и транспортные магистрали, и органы приспособления к окружающей среде, и нервная система, реагирующая на внешние воздействия. Разумеется, дефекты остаются дефектами, но черной краской их изображать не следует, надо пользоваться тонами посветлее.

Теперь несколько фраз о слове заселение.

Однажды, после публичной лекции, которую я прочел в юношеской аудитории, один из слушателей, вдумчиво подбирая слова, спросил меня:

— А кто впервые изобрел..., нет, поселил вакансии в кристаллах?

Этот вопрос, заданный серьезно, мне понравился и словом «поселил», и своей курьезностью, напомнившей шуточный вопрос: «Кто изобрел болезнь Боткина?»

Ну, разумеется же, никто вакансии в кристаллах не поселял, они испокон веков «там жили», неувиденные, неопознанные, в открытую о себе не заявлявшие, как, впрочем, и многие другие дефекты. До поры до времени кристаллофизики были не подготовлены для того, чтобы заняться поисками вакансий в кристаллах, — и запас идей для этого был недостаточен, и экспериментальные методы были не развиты. Там, где вакансии должны были обнаружиться, внося ясность в изучаемое явление, бытовала полуясность, иллюзия понимания, знание, близкое к правде, но с правдой не совпадавшее. И когда в естественном ходе развития науки представление о вакансиях созрело — их начали обнаруживать в десятках лабораторий сотни исследователей. Раньше вакансий вроде и не было, а вот появились! Поселились в кристаллах!

У каждого типа дефектов свои истории «поселения». Одни, прежде чем обнаружиться в исследованиях экспериментаторов, заявляли о себе в формальных построениях теоретиков. Так, в частности, было с вакансиями и дислокациями. Другие, благодаря своей очевидности, обнаружили себя, минуя формулы и уравнения. Таких дефектов множество: и поры, и трещины, и царапины, и многие другие. И в первом, и во втором случае эти истории интересны и красочны, каждая из них, безусловно, достойна специального рассказа.

Применительно к дефектам в кристалле у слова «заселение» есть еще один смысл, более близкий к его бытовому значению. Дефекты действительно можно поселить в кристалле, подвергая его различным воздействиям — деформированию, облучению потоком частиц или квантов различной плотности. Можно поселить, поместив кристалл в электрическое поле или в какую-нибудь агрессивную среду. Много есть способов вынудить кристалл поселить в себе дефект. Их исследование — одна из основных задач кристаллофизики — науки, изучающей реальный живой кристалл.