Превращение твердого тела

До сих пор привычно школьное разделение физики в ее приложении к твердому телу и, обособленные, вполне самостоятельные куски. Упругость, пластичность, твердость, жаростойкость, тугоплавкость, восприятие звуковых (акустических) колебаний — словом, все, связанное с ответом твердого тела на внешние механические и тепловые воздействия, определяется особенностями строения его кристаллической решетки, в том числе и многочисленными дефектами этой пространственной постройки.

Электрические, магнитные и оптические свойства твердого тела определяются структурами более тонкого порядка, механизмами и законами более изощренными, так как зависят они от поведения сложной семьи электронов. В металлах внутри ионного каркаса находятся мельчайшие носители отрицательного электричества. Именно эти подвижные частицы диктуют отношение твердого тела к электрическому току — полную или частичную проводимость или, наоборот, упорное нежелание пропускать электричество, а также магнитные свойства. От электронов зависят и оптические свойства тела, его способность пропускать свет. С электронами связана и дальнейшая судьба радиоволн, брошенных в просторы твердого тела. Это породило столь же строгое разделение методов исследования твердого тела.

Для нужд материаловедения, где изучают механические характеристики вещества, достаточно механическими же способами обследовать структуру ионной решетки или определить положение ионов решетки в пространстве с помощью электромагнитного излучения разных видов.

Естественно, что исследование электрических, магнитных и оптических свойств требует иного подхода и иного оснащения эксперимента. Ученым приходится заниматься поисками в прихотливом мире электронов твердого тела с их системами и подсистемами, энергетическими уровнями и зонами, ограждающими энергетические возможности микрочастиц невидимыми решетками запретов квантовой механики.

Каждому — свое

Во времена средневековья появление простолюдина на балу у феодала было бы немыслимым нарушением устоев общества. Подобные же преграды, обусловленные не сословными предрассудками, а существом дела, поставила природа перед исследователями твердого тела.

Действительно, стоит ли пытаться обнаружить влияние электронных систем на прочность металла? Зачем выяснять взаимоотношения электронов и атомов, они и так определены, как сказали бы спортсмены, «разностью их весовых категорий»!

С другой стороны, попытки постичь тонкости строения электронных структур с помощью методов и аппаратуры, привычных при изучении кристаллической решетки, напоминают измерительные процедуры, где пытаются определить межатомные расстояния складным метром плотника.

Каждому — свое. Специфика, основанная на незыблемых устоях науки. Но все зависит от того, как их понимать.

Упругие волны, для которых и мощные ионы кристаллической решетки — не преграда, вдруг спотыкаются на электромагнитных ухабах, созданных изворотливыми пигмеями — электронами, а сама кристаллическая решетка порой испытывает тяжкие страдания от ударов немощного, казалось бы, электронного ветра.

В современной физике подобно сословным перегородкам рушатся еще недавно казавшиеся незыблемыми перегородки между различными ее разделами. В самом деле…

Электромагнитные ухабы

Границы метода парамагнитного резонанса непрерывно расширяются, наполняясь новым содержанием, в какой-то степени даже далеким от того, что вложили в него создатели. Ученые применили для исследования твердого тела опять-таки короткие вспышки волн — импульсы с частотами, соответствующими привычной для электронов твердого тела электромагнитной «пище». Но природа их была совершенно другая. На разведку вышли акустические (звуковые) колебания — импульсы упругих волн, по определению предназначенных для сотрясения кристаллической решетки. Эксперимент показал наличие резонанса, того самого резонанса, что был типичен для электромагнитных волн, взаимодействующих с электронами.

Короче говоря, звук ослабевал так, будто на пути его появлялись электромагнитные ухабы. Откуда?

Упругие волны — слишком грубая материя для взаимодействия с тончайшими электронными системами металла, а, как известно, только в них истоки магнитных особенностей вещества.

Факт резонансного электромагнитного поглощения упругих волн определился безоговорочно — эксперимент сомнений не вызывал. Но вывод из него сильно поколебал незыблемость иерархии свойств твердого тела.

Конечно, акустические волны сами по себе не волнуют электронное море, не вызывают на его поверхности ни малейшей ряби. Зато сотрясается в такт колебаниям упругих импульсов — возмутителей спокойствия — кристаллическая решетка. Значит, в колебаниях участвуют все ионы, ее составляющие.

Ионы — островки положительного электричества в море отрицательных электронов. Их колебания вызывают к жизни переменные электрические и магнитные поля, которые таким образом появляются в непосредственной близости от электронов.

Их-то и поглощают электроны по привычным уже законам парамагнитного резонанса. Так что запущенные в микромир макроснаряды преобразуются и доходят до цели, сообщая нам в результате особенности электронной структуры вещества.

И физики поздравили себя с рождением акустической спектроскопии. Акустика выступает сейчас в одной упряжке с лазерной техникой, нейтронографией, гамма-спектроскопией и, конечно, старыми, испытанными способами разведки вещества, такими, как парамагнитный резонанс.

Тесной оказалась связь акустических и электромагнитных импульсов. Они взаимодействуют настолько успешно, что родилась новая семья лазеров. На высший энергетический уровень, с которого начинается направленное лазерное излучение, атомы выводит своеобразная упряжка из электромагнитного и акустического импульсов.

Фононы — частицы, которые физик Я. И. Френкель ввел в теорию, назвав их по аналогии с фотонами квантами света. Импульс — квант излучения, согласно основным положениям квантовой механики, обладает и свойствами частицы. Фонон можно рассматривать, как частицу, аналогично фотону для света. Фотоны действительно существуют, так как излучение света происходит маленькими порциями — квантами. Фононы — квазичастицы, полученные на бумаге. Но только с их помощью ученые разобрались в тонкостях распространения звука и тепла в твердом теле. Поскольку квантовая механика оперирует лишь такими образами.

Современная физика обросла «фиктивными» частицами и нимало от того не потеряла. Радиоволны, как и любое электромагнитное излучение, мчатся внутри твердого тела в сопровождении своеобразного шлейфа — излучения электронов, возбужденных прошедшей мимо них волной.

— Нет ли аналогичного сопровождения у волны упругой? — такой вопрос вытекал из существа аналогии между фотонами и фононами. И звуковое эхо — фононное эхо, порожденное взаимодействием упругих и электромагнитных колебаний, как говорится, не заставило себя ждать.

Более того, ученые предсказали и открыли фононную лавину: суммарное «эхо» во много раз превосходит первичный сигнал, резко усиливая его. Так что электромагнитные ухабы, возникающие на пути звуковой волны в твердом теле, — не только средство для исследования различных его свойств, но, может быть, и метод усиления колебаний. А главное — лишний раз прояснилась глубокая внутренняя связь различных структур твердого тела, где упругие свойства вещества тесно связаны с особенностями поведения его электронов. Так муха и слон оказываются иногда союзниками, иногда противниками.

Капризы электронного ветра…

В одной упряжке — что же тут особенного. Но электромагнитные ухабы все-таки, если отвлечься от резонанса, не столь велики. Когда появляются мощные внешние нагрузки и тело содрогается под их напором, что тут могут сделать электроны? Их микро сопротивление ничтожно, не так ли? Оказывается, совсем не так. И муха все-таки в какой-то степени иногда может преградить дорогу слону.

Проясняется это, когда фононы замерзают,— вблизи абсолютного нуля, при постепенном погружении в низкотемпературный сон всех ионов кристаллической решетки твердого тела.

«Сонное царство мироздания» — ближайшие окрестности абсолютного нуля — изучаются давно и очень тщательно.

Самый низший отрезок температурной шкалы, за которым исчезает и само понятие температуры, ибо наступает полный покой, не случайно привлек особое внимание ученых. Именно вблизи от абсолютного нуля возникает сверхпроводимость.

Необычное, как правило, рождает необычное. Раз область сверхнизких температур столь своеобразна, то, кроме сверхпроводимости и сверхтекучести — явлений весьма оригинальных, можно ожидать здесь и других любопытных и нешаблонных эффектов. И предчувствия физиков, среди которых в основном были металловеды, не оказались напрасными.

Выяснилось, что обработка металлов при сверхнизких температурах влечет за собой повышенную выносливость их к температурам высоким. Суть в том, что при «сонном» состоянии решетки ее легче деформировать, создавая дефекты в ее строении, дефекты, которые могут делать, как ни странно, решетку прочнее. Так, ученые получили сверхпрочную медь, прокатав ее при температуре жидкого гелия. Но как это ни оригинально, сей факт не явился откровением для металловедов, поскольку был предсказан и обоснован заранее. Не менее очевидным выглядело и то, что пластичность металлов плавно увеличивалась по мере приближения к абсолютному нулю. Очевидность, обусловленная элементарными процессами. Чем ниже температура, тем меньше препятствий возникает на пути движущихся под действием внешних сил слоев металла. А в их движении пластичность и проявляется.

Однако оказалось, что для каждого металла существует своя граничная точка — температура, при которой пластичность увеличивается резко, скачком. И происходит это в момент появления сверхпроводимости.

В лаборатории доктора технических наук И. А. Гиндина — одного из пионеров низкотемпературной обработки металлов — тут же, как только обнаружился любопытный феномен, поставили изящный контрольный опыт, однозначно решивший проблему. Как известно, для любого сверхпроводящего металла существует свое критическое магнитное поле, которое разрушает сверхпроводимость. В эксперименте ученых невидимые тенета магнитного поля не только начисто истребили сверхпроводимость, но и таинственный скачок пластичности.

Эти факты заставили взглянуть по-иному на некоторые вполне устоявшиеся каноны физики твердого тела. В самом деле, что меняется в металле, когда он становится сверхпроводником? Кристаллическая структура остается прежней, просто ионы, ее составляющие, двигаются медленнее. Но это еще не повод для столь резких поворотов в поведении вещества. Зато исключительно важные изменения происходят в жизни свободных электронов.

Со времен Кулона физики твердо усвоили прочную неприязнь одноименных зарядов друг к другу. Так ведут себя и электроны — отрицательно заряженные частички. Однако их взаимная антипатия разом исчезает при достижении температурного барьера сверхпроводимости. Тогда все электроны мгновенно объединяются в своеобразные пары. Вот чем отличается внутренняя структура сверхпроводника. В замороженной кристаллической решетке появляются электронные пары.

Но какое отношение имеет это обстоятельство к упругим свойствам металла? Раньше ответом послужило бы лаконичное «никакого»! Или, в более распространенном предложении, «электронная структура слишком тонка, чтобы оказывать какое-то влияние на столь грубые, свойства твердого тела, как упругость, пластичность и тому подобное!» Все эти «аксиомы» ныне рухнули, так как твердо определено, что при всей своей миниатюрности электроны способны оказывать существенное сопротивление внешним нагрузкам. Именно электроны при замороженной решетке тормозят движение дефектов решетки — дислокаций, определяющее пластичность металла. Но когда электроны объединяются в пары, им уже нет дела до внешних нагрузок. Электроны как будто исчезают, и происходит резкое снижение прочности металла, поскольку со стороны крепко «спящих» ионов и так уже давно нет почти никакого сопротивления.

Но главное значение эксперимента не в том, что появляются скачки пластичности (а это, между прочим, наверняка можно использовать в технике). Прояснилось, что электронные «мухи» способны не просто мешать «слону» внешних нагрузок, но и причинять ему большие неприятности. А насколько велик их вклад в общее дело, надо обсудить. Быть может, на самом деле значение электронов тут еще больше, чем обнаружилось сейчас. Ведь уже не секрет, что именно «электронный ветер» — так ученые образно назвали потоки электронов, движущихся в твердых телах, — разрушает контакты в устройствах радиоэлектроники, унося, вырывая отдельные атомы. И уже проведены эксперименты, в которых свет, как известно, воздействующий лишь на электронные уровни, существенно изменяет упругие свойства кристаллов.

Металлофизика преобразуется на наших глазах, приобретая все более широкий характер. В последних событиях в физике твердого тела существует еще одна важная сторона. Долгие годы многие разделы физики постепенно, но уверенно превращались в самостоятельные науки со своими методами исследований, своими представлениями и идеями.

И когда уже ничто, казалось, не объединяло ни сами эти разделы, ни объекты их исследований, тут-то и прояснились внутренние связи, о которых еще недавно никто не мог подумать. И явления, далекие друг от друга по самой сути, обнаружили сродство и готовность к взаимодействию.

Потрясения, которые испытала физика твердого тела, — лишнее тому подтверждение!

Автор: Б. Смагин.