Перетворення твердого тіла
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Досі звичний шкільний поділ фізики в її додатку до твердого тіла і, відокремлені, цілком самостійні шматки. Пружність, пластичність, твердість, жаростійкість, тугоплавкість, сприйняття звукових (акустичних) коливань — словом, все, пов’язане з відповіддю твердого тіла на зовнішні механічні та теплові впливи, визначається особливостями будови його кристалічної решітки, в тому числі і численними дефектами цієї просторової побудови.
Електричні, магнітні і оптичні властивості твердого тіла визначаються структурами більш тонкого порядку, механізмами і законами більш витонченими, так як вони залежать від поведінки складної сім’ї електронів. В металах всередині іонного каркаса знаходяться найдрібніші носії негативної електрики. Саме ці рухомі частинки диктують ставлення твердого тіла до електричного струму — повну або часткову провідність або, навпаки, вперте небажання пропускати електрику, а також магнітні властивості. Від електронів залежать і оптичні властивості тіла, його здатність пропускати світло. З електронами пов’язана і подальша доля радіохвиль, кинутих в простори твердого тіла. Це породило такий ж суворий поділ методів дослідження твердого тіла.
Для потреб матеріалознавства, де вивчають механічні характеристики речовини, досить механічними ж способами обстежити структуру іонної решітки або визначити положення іонів решітки в просторі з допомогою електромагнітного випромінювання різних видів.
Природно, що дослідження електричних, магнітних та оптичних властивостей вимагає іншого підходу та іншого оснащення експерименту. Вченим доводиться займатися пошуками в примхливому світі електронів твердого тіла з їх системами і підсистемами, енергетичними рівнями і зонами, огороджувальними енергетичні можливості мікрочастинок невидимими гратами заборон квантової механіки.
Кожному — своє
У часи середньовіччя поява простолюдина на балу у феодала була б немислимим порушенням засад суспільства. Такі ж перешкоди, обумовлені не становими забобонами, а істотою справи, що природа поставила перед дослідниками твердого тіла.
Дійсно, чи варто намагатися виявити вплив електронних систем на міцність металу? Навіщо з’ясовувати взаємини електронів і атомів, вони і так визначені, як сказали б спортсмени «різницею їх вагових категорій»!
З іншого боку, спроби осягнути тонкощі будови електронних структур з допомогою методів і апаратури, звичних при вивченні кристалічної решітки, нагадують вимірювальні процедури, де намагаються визначити міжатомні відстані складним метром тесляра.
Кожному — своє. Специфіка, заснована на непорушних засадах науки. Але все залежить від того, як їх розуміти.
Пружні хвилі, для яких і потужні іони кристалічної решітки — не перешкода, раптом спотикаються на електромагнітних вибоїнах, створених верткими пігмеями — електронами, а сама кристалічна решітка часом відчуває тяжкі страждання від ударів немічного, здавалося б, електронного вітру.
У сучасній фізиці подібно становим перегородкам руйнуються перегородки між різними її розділами, які ще недавно здавалися непорушними. І справді…
Електромагнітні вибоїни
Межі методу парамагнітного резонансу безперервно розширюються, наповнюючись новим змістом, якоюсь мірою навіть далеким від того, що вклали в нього творці. Вчені застосували для дослідження твердого тіла знову-таки короткі спалахи хвиль — імпульси з частотами, що відповідають звичній для електронів твердого тіла електромагнітній «їжі». Але природа їх була зовсім інша. На розвідку вийшли акустичні (звукові) коливання — імпульси пружних хвиль, за визначенням призначених для струсу кристалічної решітки. Експеримент показав наявність резонансу, того самого резонансу, що був типовий для електромагнітних хвиль, що взаємодіють з електронами.
Коротше кажучи, звук слабшав так, ніби на шляху його з’являлися електромагнітні вибоїни. Звідки?
Пружні хвилі — занадто груба матерія для взаємодії з найтоншими електронними системами металу, а, як відомо, тільки в них витоки магнітних особливостей речовини.
Факт резонансного електромагнітного поглинання пружних хвиль визначився беззастережно — експеримент сумнівів не викликав. Але висновок з нього сильно похитнув непорушність ієрархії властивостей твердого тіла.
Звичайно, акустичні хвилі самі по собі не хвилюють електронне море, не викликають на його поверхні жодної брижів. Зате здригається в такт коливань пружних імпульсів — порушників спокою — кристалічна решітка. Значить, в коливаннях беруть участь всі іони, її складові.
Іони — острівці позитивної електрики в морі негативних електронів. Їх коливання викликають до життя змінні електричні і магнітні поля, які таким чином з’являються в безпосередній близькості від електронів.
Їх-то і поглинають електрони за звичними вже законами парамагнітного резонансу. Так що запущені в мікросвіт макроснаряди перетворюються і доходять до мети, повідомляючи нам в результаті особливості електронної структури речовини.
І фізики привітали себе з народженням акустичної спектроскопії. Акустика виступає зараз в одній упряжці з лазерною технікою, нейтронографією, гамма-спектроскопією і, звичайно, старими, випробуваними способами розвідки речовини, такими, як парамагнітний резонанс.
Тісним виявився зв’язок акустичних і електромагнітних імпульсів. Вони взаємодіють настільки успішно, що народилася нова сім’я лазерів. На вищий енергетичний рівень, з якого починається спрямоване лазерне випромінювання, атоми виводить своєрідна упряжка з електромагнітного та акустичного імпульсів.
Фонони — частинки, які фізик Я. І. Френкель ввів у теорію, назвавши їх за аналогією з фотонами квантами світла. Імпульс — квант випромінювання, відповідно до основних положень квантової механіки, володіє і властивостями частинки. Фонон можна розглядати, як частинку, аналогічно фотону для світла. Фотони дійсно існують, так як випромінювання світла відбувається маленькими порціями — квантами. Фонони — квазічастинки, отримані на папері. Але тільки з їх допомогою вчені розібралися в тонкощах поширення звуку і тепла в твердому тілі. Оскільки квантова механіка оперує лише такими образами.
Сучасна фізика обросла «фіктивними» частинками і нітрохи від того не втратила. Радіохвилі, як і будь-яке електромагнітне випромінювання, мчать всередині твердого тіла в супроводі своєрідного шлейфу — випромінювання електронів, порушених хвилею, що пройшла повз них.
— Чи немає аналогічного супроводу у хвилі пружної? — таке питання витікало з суті аналогії між фотонами і фононами. І звукове ехо — фононе ехо, породжене взаємодією пружних та електромагнітних коливань, як мовиться, не змусило себе чекати.
Більше того, вчені передбачили і відкрили фонону лавину: сумарне «ехо» у багато разів перевершує первинний сигнал, різко посилюючи його. Так що електромагнітні вибоїни, що виникають на шляху звукової хвилі в твердому тілі, — не тільки засіб для дослідження різних його властивостей, але, може бути, і метод посилення коливань. А головне — зайвий раз прояснився глибокий внутрішній зв’язок різних структур твердого тіла, де пружні властивості речовини тісно пов’язані з особливостями поведінки його електронів. Так муха і слон виявляються іноді союзниками, а іноді супротивниками.
Примхи електронного вітру…
В одній упряжці — що ж тут особливого. Але електромагнітні вибоїни все-таки, якщо відволіктися від резонансу, не настільки великі. Коли з’являються потужні зовнішні навантаження і тіло здригається під їх натиском, що тут можуть зробити електрони? Їх мікро опір мізерний, чи не так? Виявляється, зовсім не так. І муха все-таки в якійсь мірі іноді може перегородити дорогу слону.
Прояснюється це, коли фонони замерзають,— поблизу абсолютного нуля, при поступовому зануренні в низькотемпературний сон всіх іонів кристалічної решітки твердого тіла.
«Сонне царство світобудови» — найближчі околиці абсолютного нуля — вивчаються давно і дуже ретельно.
Найнижчий відрізок температурної шкали, за яким зникає й саме поняття температури, бо настає повний спокій, не випадково привернув особливу увагу вчених. Саме поблизу абсолютного нуля виникає надпровідність.
Незвичайне, як правило, породжує незвичайне. Раз область наднизьких температур настільки своєрідна, то, крім надпровідності і надтекучості — явищ вельми оригінальних, можна очікувати тут й інші цікаві та не шаблоні ефекти. І передчуття фізиків, серед яких в основному були металознавці, не виявилися марними.
З’ясувалося, що обробка металів при наднизьких температурах тягне за собою підвищену витривалість їх до температур високих. Суть в тому, що при «сонному» стані решітки її легше деформувати, створюючи дефекти в її будові, дефекти, які можуть робити, як не дивно, ґрати міцніше. Так, вчені отримали надміцну мідь, прокатавши її при температурі рідкого гелію. Але як це не оригінально, цей факт не став одкровенням для металознавців, оскільки був передбачений і обґрунтований заздалегідь. Не менш очевидним виглядало й те, що пластичність металів плавно збільшувалася по мірі наближення до абсолютного нуля. Очевидність, обумовлена елементарними процесами. Чим нижче температура, тим менше перешкод виникає на шляху рухомих під дією зовнішніх сил шарів металу. А в їх русі пластичність і проявляється.
Однак виявилося, що для кожного металу існує своя гранична точка — температура, при якій збільшується пластичність різко, стрибком. І відбувається це в момент появи надпровідності.
В лабораторії доктора технічних наук І. А. Гіндіна — одного з піонерів низькотемпературної обробки металів — тут же, як тільки виявився цікавий феномен, поставили витончений контрольний дослід, що однозначно вирішив проблему. Як відомо, для будь-якого надпровідного металу існує своє критичне магнітне поле, яке руйнує надпровідність. В експерименті вчених невидимі тенета магнітного поля не тільки начисто винищили надпровідність, але і таємничий стрибок пластичності.
Ці факти змусили глянути по-іншому на деякі цілком усталені канони фізики твердого тіла. Справді, що змінюється в металі, коли він стає надпровідником? Кристалічна структура залишається колишньою, просто іони, її складові, рухаються повільніше. Але це ще не привід для таких різких поворотів в поведінці речовини. Зате виключно важливі зміни відбуваються в житті вільних електронів.
З часів Кулона фізики твердо засвоїли міцну неприязнь однойменних зарядів один до одного. Так поводяться і електрони — негативно заряджені частинки. Однак їх взаємна антипатія разом зникає при досягненні температурного бар’єру надпровідності. Тоді всі електрони миттєво поєднуються у своєрідні пари. Ось чим відрізняється внутрішня структура надпровідника. У замороженій кристалічній решітці з’являються електронні пари.
Але яке відношення має ця обставина до пружних властивостей металу? Раніше відповіддю послужило б лаконічне «ніякого»! Або, в більш поширеному реченні, «електронна структура занадто тонка, щоб мати якийсь вплив на настільки грубі, властивості твердого тіла, як пружність, пластичність і тому подібне!» Всі ці «аксіоми» нині впали, так як твердо визначено, що при всій своїй мініатюрності електрони здатні чинити істотний опір зовнішнім навантаженням. Саме електрони при замороженої решітці гальмують рух дефектів решітки — дислокацій, що визначає пластичність металу. Але коли електрони об’єднуються в пари, їм вже немає справи до зовнішніх навантажень. Електрони ніби зникають, і відбувається різке зниження міцності металу, оскільки з боку міцно «сплячих» іонів і так вже давно немає майже ніякого опору.
Але головне значення експерименту не в тому, що з’являються стрибки пластичності (а це, між іншим, напевно можна використовувати в техніці). Прояснилося, що електронні «мухи» здатні не просто заважати «слону» зовнішніх навантажень, але і завдати йому великі неприємності. А наскільки великий їхній внесок у загальну справу, треба обговорити. Бути може, насправді значення електронів тут ще більше, ніж виявилося тепер. Адже вже не секрет, що саме «електронний вітер» — так вчені образно назвали потоки електронів, рухомих в твердих тілах, — руйнує контакти в пристроях радіоелектроніки, несучи, вириваючи окремі атоми. І вже проведені експерименти, в яких світло, як відомо, впливає лише на електронні рівні, суттєво змінює пружні властивості кристалів.
Металофізика перетворюється на наших очах, набуваючи все більш широкий характер. В останніх подіях у фізиці твердого тіла існує ще одна важлива сторона. Довгі роки багато розділів фізики поступово, але впевнено перетворювалися в самостійні науки зі своїми методами досліджень, своїми поглядами й ідеями.
І коли вже ніщо, здавалося, не об’єднувало ні самі ці розділи, ні об’єкти їх досліджень, тут-то і прояснилися внутрішні зв’язки, про які ще недавно ніхто не міг подумати. І явища, далекі один від одного по самій суті, виявили спорідненість і готовність до взаємодії.
Потрясіння, які пережила фізика твердого тіла, — зайве тому підтвердження!
Автор: Б. Смагін.