Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Многие химические соединения, в нормальных условиях очень активные и опасные, можно обезопасить, «разорвав» на куски — радикалы, а затем хранить в замороженном виде, не боясь взрыва. Если их потом отогреть, они соединятся вновь. Эти консервированные радикалы не теряют своих свойств, так же как замороженные фрукты — витаминов.
Когда ядерной физике понадобилась лёгкая частица, учёные остановили свой выбор на ядре изотопа гелия. В отличие от обычного гелия, названного гелием-4, его обозначают гелий-3. Но в естественном гелии его содержится так мало, что надо переработать 20 тонн обычного гелия, чтобы получить всего один грамм изотопа. Процесс этот сложный, долгий, кропотливый. Вот почему гелий-3 — самый дорогой в мире газ.
Харьковские учёные, изучая сверхтекучесть гелия, нашли более лёгкий способ получения гелия-3. Они охладили гелий до 2,17К. После этого гелий-4 приходит в состояние сверхтекучести, но его изотоп гелий-3 не принимает в этом участия. Он становится сверхтекучим при намного меньшей температуре. Поэтому когда сверхтекучая часть при температуре около 2К просачивается через тончайший фильтр в дне сосуда, в сосуде остается изотоп гелия-3.
Инженеры воспользовались низкой температурой для создания изящных вакуумных установок. В них использовано свойство древесного угля в изобилии поглощать воздух при низкой температуре. В новых установках воздух не выкачивается, а его атомы просто прилипают к охлаждённому древесному углю, как мухи к липкой бумаге, создавая в установке вакуум.
Сверхпроводящие металлы позволили создать фантастические электромагниты, поддерживающие огромные магнитные поля без затраты электроэнергии. Они в этом отношении напоминают постоянные магниты из закалённой стали или специальных сплавов. Для того чтобы намагнитить кусок стали, достаточно поместить его внутрь проволочной обмотки и на мгновение пропустить через неё электрический ток. Сталь намагничивается и сохраняет свои магнитные свойства и после выключения тока в обмотке.
Если возбудить круговой электрический ток в сплошном куске сверхпроводника или в замкнутой обмотке из сверхпроводящей проволоки, то ток в них, не встречая сопротивления, будет существовать и после выключения возбудившего его источника. А пока существует электрический ток, действует и окружающее магнитное поле.
Так работает «постоянный» магнит из сверхпроводника. Он остаётся магнитом, пока сохраняется состояние сверхпроводимости, а некоторые сплавы остаются сверхпроводящими и при температурах около 20° выше абсолютного нуля.
Если обмотка магнита сделана из олова или свинца, то достижимое магнитное поле не очень велико. Обмотка же из ниобия позволяет получить в десятки раз более сильное поле. Но самые современные сверхпроводниковые магниты делаются из соединения ниобия с оловом и цирконием. Оно остаётся сверхпроводящим до –255 °C, а магнит с такой обмоткой, помещённый в жидкий гелий, даёт магнитное поле в десятки тысяч эрстед.
Но это, конечно, не предел. Теория, разработанная советскими физиками, лауреатами Ленинской премии Л. Д. Ландау, А. А. Абрикосовым, В. Л. Гинзбургом и Л. П. Горьковым, позволяет по-новому подходить к задаче поиска сверхпроводящих сплавов. Она уже вскрыла ряд удивительных свойств сверхпроводящих плёнок и позволила ближе подойти к возможности получения сверхпроводящего состояния при обычных температурах.
Впервые эта возможность была перенесена из области мечты в разряд серьёзных научных задач американским учёным В. А. Литтлом. Он предположил, что некоторые полимеры могут оказаться сверхпроводниками и сохранять это свойство при высоких температурах. Однако расчёты Литтла были недостаточно убедительными. Лишь впоследствии молодые физики Ю.П.Бычков, Л. П. Горьков и И. Е. Дзялошинский доказали, что линейный сверхпроводник Литтла может существовать. Но большинство физиков считали, что создать двумерный плёночный сверхпроводник, о котором писал Гинзбург, легче, и именно он откроет эру сверхпроводников из полимеров. Пока это была только теория. Учёные понимали — впереди много работы. Может быть, более перспективными окажутся не линейные полупроводники, а сверхпроводящие плёнки. Во всяком случае, теоретически «тёплый» сверхпроводник уже не казался монстром. Он стал целью, трудной, но реальной целью. Однако жизнь показала, что путь, указанный Литтлом и Гинзбургом, труден. И в конце концов цель была достигнута совершенно иным способом.
КВАЗИЧАСТИЦЫПуть к созданию высокотемпературных сверхпроводников оказался более длинным, чем думали оптимисты. Пока одни учёные прокладывали этот путь, другие расширяли наши знания о мире низких температур. И мы многое потеряем в понимании путей прогресса, если не познакомимся с некоторыми из этих работ.
Пожалуй, одна из самых впечатляющих находок в стране абсолютного нуля — квазичастицы. Как сказать о них? О частицах — протонах, нейтронах, электронах и так далее и так далее (число их всё время увеличивается!) — рассказать нетрудно. Они есть, они существуют. Каждая имеет свое лицо, свою биографию, у каждой есть паспорт, где указаны и место жительства, и род занятий.
Но то, что учёные назвали компромиссным словом «квазичастицы», не частицы в обычном смысле. Это скорее явления, но явления очень специфические. Да, они, не настоящие частицы, оказывают влияние на окружающий мир, как настоящие. Как самые настоящие частицы, они участвуют в его жизни, взаимодействуют друг с другом. Они были названы квазичастицами, от латинского слова, означающего «якобы», «как бы».
Без этих чудо-частиц учёные не в состоянии справиться с задачей объяснения сложных законов, царящих в микромире, управляющих явлениями, протекающими в обычных телах.
И среди них одна из интереснейших — полярон. Эта квазичастица, обладающая рядом удивительных свойств, родилась в 1946 году под пером киевского физика-теоретика профессора С. И. Пекара. Теория поляронов разработана совместно Л. Д. Ландау и С. И. Пекаром.
Как за человеком в солнечный день движется его тень, так за электроном внутри кристаллической решётки движется облако поляризации, образованное его электрическим зарядом.
Встречные атомы, настигнутые облаком, поляризуются им, как бы связываются с электронами невидимыми нитями. И электрону эта связь с окружающими его атомами не обходится даром: он словно становится тяжелее — его масса увеличивается в шесть раз. Эту комбинацию электрона с окружающим его состоянием поляризации и назвали поляроном.
В теории такая комбинация электрона с его облаком поляризации казалась вполне ясной, обоснованной, реально существующей. Но как эту частицу-явление обнаружить, какими средствами подтвердить её существование? Без доказательства теория всегда остаётся под сомнением.
Полярон стал предметом пристального внимания физиков. Появились десятки исследований, посвящённых этой псевдочастице. Но в большинстве это были теоретические изыскания, так как ни одному физику-экспериментатору не удалось непосредственно наблюдать полярон в движении.
Иногда эта затея казалась безнадёжной. Стоит ли гоняться за тенью, призраком?
Но ленинградские учёные проявили упрямство. Они решили оттолкнуться от уже известных вещей. Итак, масса полярона в шесть раз больше массы обычного электрона. Если можно было бы непосредственно взвесить тот и другой, мы получили бы самое лучшее доказательство правильности теории. Но облако взвесить нельзя. Тогда, решили физики, надо проделать такой опыт, в котором масса электрона и полярона проявилась бы косвенным путём. Такой опыт вскоре был проделан.
Если поместить крупинки металла в сильное магнитное поле и воздействовать на них радиоволнами, электроны в металле начнут двигаться по окружности, черпая у радиоволн энергию. Электроны будут «танцевать «по кругу в определённом ритме. А если на месте электронов окажутся поляроны? Они тяжелее и, очевидно, «затанцуют» по-другому.
Такая мысль и пришла в голову учёным. Они решили испытать полярон в аналогичном опыте.
Но прежде чем приступить к этому эксперименту, надо было устранить одно мешающее обстоятельство — тепловое хаотическое движение атомов кристалла. Ведь оно разрушает поляронное облако, сопровождающее электрон. Избавиться от этого препятствия помогла техника низких температур. Когда вещество было сильно охлаждено, удалось осуществить задуманный опыт и впервые обнаружить несомненное проявление движущегося полярона. Вот как это случилось.
ПОЛЯРОНЫ ЗАТАНЦЕВАЛИ!На охоту за поляроном вышел доктор физико-математических наук Н. М. Рейнов в сопровождении молодых физиков: теоретика А. И. Губанова и экспериментатора Н.И. Кривко.
В качестве поля для охоты они избрали хорошо изученный кристалл закиси меди, а в качестве оружия — мощную технику сантиметровых радиоволн и огромных магнитных полей. Для того чтобы облегчить охоту, они решили вести её в сверхарктических условиях, погрузив кристалл закиси меди в жидкий гелий.
