Вблизи нейтронной звезды

• Акулы продолжают удивлять
• Штепсель-светлячок
• Ответы на задачи, напечатанные в № 5
• Намагниченный инструмент
• И. Зверев — приручая плазму

Мы все многим обязаны порядку, царящему в природе и познанному наукой. Например, благодаря естественному разделению веществ на металлы, полупроводники и диэлектрики в наш быт прочно вошло электричество. В наши квартиры оно приходит по металлическим проводам. Изоляторы, сделанные из диэлектрика, позволяют его удобно и безопасно использовать. А полупроводники — основа миниатюрных, питаемых электроэнергией радиоприемников, магнитофонов, множества других полезнейших устройств…

Казалось бы, всем хорош такой порядок вещей, и наверняка еще далеко не все потенциальные возможности земной природы, подчиняющейся этому порядку, открыты и использованы.

Но сегодня инженеров и конструкторов уже далеко не всегда устраивают вещества и материалы с обычными, земными свойствами. Их манят необыкновенные возможности космической технологии материалов, один за другим идут на орбитальных станциях технологические эксперименты. На гигантских прессах, развивающих давление в десятки, тысяч атмосфер (такое давление, возможно, существует на глубине сотен километров, вблизи земного ядра!), рождаются искусственные алмазы и другие уникальные материалы. Преображает земные материалы и жар из плазмотронов, и поистине космический холод, создаваемый, например, для новых электрогенераторов.

Исследователи идут дальше. Что будет с земным веществом, если поместить его в сверхсильное магнитное поле? Останется ли металл металлом, а полупроводник полупроводником при напряженности в сотни тысяч, в миллионы эрстед? Какие новые свойства приобретут земные материалы в таких условиях?

Теоретики рассчитали: чтобы ответить на эти вопросы, надо совершить путешествие в окрестности… нейтронной звезды. (Напомним, нейтронная звезда — чрезвычайно плотное космическое тело, превосходящее по массе во много раз наше Солнце, но имеющее диаметр всего лишь в несколько десятков километров. Она представляет собой как бы гигантское атомное ядро, состоящее из одних нейтронов.) Разумеется, предприятие это, по крайней мере сегодня, совершенно немыслимое. Потому хотя бы, что до ближайшей нейтронной звезды миллионы световых лет…

И все-таки путешествие в неведомый мир состоялось. Группе советских физиков под руководством профессора МГУ Н. Б. Брандта не понадобился для этого космический корабль.

Как это было? Что увидели исследователи, воссоздав с помощью техники неземные условия? Ученым, разумеется, необходим был какой-то ориентир, хотя бы общие представления о том, что может встретиться в ходе поиска, к чему он может привести. Поэтому вначале и мы попробуем понять: чем прельщало физиков именно сверхсильное магнитное поле и что оно может сделать с земным веществом?

Вспомним, что известно нам, скажем, о металлах. Металлы— это вещества с высокой прочностью, ковкостью, электропроводностью, металлическим блеском. По металлическому блеску, как сказано в школьном учебнике химии, мы узнаем металлы и их сплавы среди других веществ. Но, например, чистый кремний по своим свойствам типичный полупроводник, а на вид — серебристый металл. Он же при температуре ниже комнатной — неплохой изолятор. Как же понять, что есть что?

Четкий ответ на этот вопрос дает так называемая зонная теория твердых тел. Разъясняя ее положения, профессор Н. Б. Брандт сказал, что «в твердом теле электроны живут в своеобразном слоеном пироге — зонах». Давайте воспользуемся пространственной наглядностью этого сравнения.

Итак, зона — это своеобразный слоеный пирог, начинкой которого служат электроны. Но, когда хозяйка печет настоящий пирог, она может в принципе уложить слои начинки в любом порядке. С укладкой же электронов не может быть ни малейшего произвола: в каком слое место тому или иному электрону, однозначно зависит от величины его энергии. Поэтому слои в зоне называют энергетическими уровнями. Еще — слои начинки в пироге можно сделать толще и тоньше. Вместимость же каждого слоя- уровня, каждого пирога-зоны строго ограничена. Число энергетических зон, окружающих атомное ядро, у атомов разных веществ различно. Для н$с особенно важны две верхние, наиболее удаленные от ядра зоны. Самая верхняя обыкновенно заполнена электронами не полностью или совсем пуста. Ее называют зоной проводимости. Следующая за ней — валентная зона, она всегда полностью укомплектована электронами.

Теперь самый главный вывод зонной теории: от того, насколько труден или легок переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, зависит тип вещества. В данном случае «труден или легок» означает: сколько энергии надо затратить на этот переход.

У металлов такое направленное перемещение требует совсем немного — надо всего лишь подвести электрическое напряжение. Поэтому металлы и обладают высокой электропроводностью. Ведь, как известно из школьного курса физики, ток в металлах как раз и обусловлен движением электронов.

С полупроводниками и диэлектриками дело обстоит иначе. У них зону проводимости и валентную зону разделяет так называемая энергетическая щель. Образно говоря, это обстоятельство ставит электроны в ситуацию туриста, оказавшегося у края глубокого рва. Естественно, успех в обоих случаях зависит от ширины рва — для туриста, или энергетической щели — для электрона. Так вот, в полупроводниках она все же преодолима, хотя, кроме электрического напряжения, часто бывает необходимо сообщать электронам дополнительную энергию, например, в виде тепла или света. В диэлектриках же энергетическая щель представляет для электронов непреодолимую пропасть. (Понятно, что речь идет пока о материалах, находящихся в нормальных, обычных условиях.)

Итак, мы знаем, как с помощью зонной теории определить тип вещества. А что на языке этой теории означает «изменить его»? Теперь и на этот вопрос можно точно ответить: раз тип вещества зависит от наличия и ширины энергетической щели, следовательно, для кардинального изменения свойств вещества надо научиться устранять, порождать           энергетическую щель, управлять ее величиной. Тогда, скажем, металл можно превратить в полупроводник, а изолятор сделать металлом. Теоретики высказали идею: достичь этого в принципе можно с помощью сверхсильного магнитного поля. Ожидалось, что оно может оказаться способным как бы притягивать зоны друг к дружке, сокращать, уничтожать энергетическую щель между ними. Больше того, теория не отвергала даже возможность соединения зон как бы внахлест, когда одна частично перекрывает другую.

Эксперименты проводились на установке, которая создавала абсолютно рекордное по напряженности магнитное поле — до 600 тысяч эрстед! Такого сверхмагнита не было больше нигде в мире. Но и его магнитных сил оказалось недостаточно, чтобы стягивать зоны, облегчить прыжки для «туристов-электронов». Выяснилось, что этому, в частности, мешают электрические поля чужеродных атомов. Поэтому для экспериментов стали специально выращивать монокристаллы с практически идеальной структурой, без малейших посторонних примесей. Однако даже этого было недостаточно. Надо было найти те вещества, которые бы лучше подчинялись действию магнитного поля. Теоретики подсказывали: попробуйте исследовать так называемые полуметаллы — вещества эти согласно расчету раз в сто чувствительнее к действию магнитного поля, чем, скажем, металлы. Иными словами, сверхмагнит как бы усиливался еще в сто раз!

Для исследований выбрали сплав висмута с сурьмой. Наконец в установке потребовалось создавать поистине космический мороз — температуру, близкую к абсолютному нулю, поскольку в этом случае падает сопротивление перемещению электронов.

Вот так и сложились в эксперименте условия, которые существуют согласно предположениям астрофизиков где-то в окрестностях нейтронных звезд.

Это необычное путешествие к нейтронной звезде длилось восемь земных лет. Нужно было построить сверхмощные магниты, аппаратуру для изготовления сверхчистых монокристаллов разных веществ и освоить технологию их выращивания, продумать и сделать систему охлаждения испытуемых образцов, придумать методы и сконструировать приборы для измерения свойств материалов при сверхнизких температурах… Восемь лет непрерывных поисков, экспериментов — очень тонких, на пределе технических возможностей.

Зато и результаты, как оказалось, стоили этого громадного труда. Действие магнитного поля стало подобным взмаху волшебной палочки: включили поле — металл, выключили — опять диэлектрик. То есть теперь можно было уничтожать и восстанавливать энергетическую щель, изменять ее величину. Еще ученые выявили такие условия превращения — силу поля и температуру,— когда зона проводимости с ювелирной точностью стыкуется с валентной, иными словами, когда поле, уничтожая энергетическую щель, соединяет зоны не внахлест, а встык. В этом случае материалы начинают вести себя совершенно незнакомым образом. Например, у них резко падает электрическое сопротивление. Они становятся почти сверхпроводниками! Наука подобного состояния вещества не знала. Пришлось придумывать ему название — бесщелевое состояние.

Если первые удачные опыты получались только на сплавах висмута с сурьмой, то затем удалось исследовать целую гамму веществ: в основной сплав стали вводить теллур, селен, свинец, олово, потом изучались теллуриды кадмия, свинца, олова, ртути…

В экспериментах было обнаружено еще одно удивительное явление. При определенной комбинации магнитного и температурного воздействия у веществ резко возрастала теплопроводность. Они становились сверхтеплопроводниками! Это также впервые открытое состояние вещества было названо экситонной фазой.

А теперь давайте посмотрим, какие открываются возможности перед практикой. Физики научились управлять состоянием вещества, управлять извне, бесконтактно — магнитным полем. Причем «переключение» происходит всего за миллиардные доли секунды! Это позволит, например, создавать мгновенно действующие электронные коммутаторы в сложнейших схемах приборов.

Найденные учеными вещества, особенно чувствительные к действию магнитного поля, обладают также отличными термоэлектрическими и термомагнитными свойствами. Так что, возможно, в недалеком будущем в наших квартирах будут стоять холодильники, в которых вместо громоздких, рычащих компрессоров будет бесшумно трудиться практически вечный и экономичный стерженек бесщелевого монокристалла.

И еще. Теперь ученым хорошо известно, что ширина энергетической щели определяет рабочую разность потенциалов электронных приборов. В мощных вакуумных приборах это десятки киловольт, в полупроводниковых — вольты. А вот бесщелевые приборы могут работать при сколь угодно малом напряжении! Скажем, уже есть диоды, которые могут работать от обычной, имеющейся в школьном кабинете физики термопары, которая дает разность потенциалов порядка тысячных долей вольта.

Кроме того, как мы уже говорили, в бесщелевом состоянии вещество лучше проводит ток, а следовательно, электрический сигнал в нем распространяется скорее. От этого во многом зависит быстродействие полупроводниковых устройств. И может быть, с внедрением бесщелевых элементов ЭВМ начнут «думать» быстрее, чем сегодня.

Итак, связь, навигация, радиолокация, астрономия, оптическая электроника, энергетика, вычислительная техника, холодильная техника… Трудно дать сегодня полный перечень областей науки и практики, где очевидна польза открытий, сделанных «в окрестности нейтронной звезды». В 1982 году Н. Б. Брандту вместе с группой московских, ленинградских и свердловских физиков, также участвовавших в работе, была присуждена Государственная премия СССР.

И еще один урок: для самых дальних научных экспедиций ничуть не хуже самых могучих ракетных двигателей служат научная дерзость, изобретательность, помноженные на целеустремленность и большой ТРУД-

Да, мы вроде совсем забыли сказать о практической ценности открытия экситонов. Пока даже сами исследователи не могут сказать ничего определенного. Путешествие в мир неведомого далеко не закончено…

С. СЕМЕНОВ, о      кандидат физико-математических наук

Рисунки Г. АЛЕКСЕЕВА и Г. КОВАНОВА

ЮТ №2 1984 год |