Интересные свойства квантовых кристаллов

Кристаллы — твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Так сказано в Энциклопедическом словаре. Действительно, каждый атом кристаллической решетки испытывает притяжение своих соседей — это похоже на то, как на тросах-растяжках ставят высоченные заводские трубы. И растяжки эти — будь то тросы или межатомные связи — держат прочно...
Однако энциклопедия все же несколько отстала от научных исследований. Недавно в лабораториях ученых получены кристаллы, которые мягче ваты, пуха, даже облаков!

О них впервые рассказала члена-корреспондент АН СССР А. Ф. АНДРЕЕВА, сотрудник Института физических проблем АН СССР.
— Необычные кристаллы созданы по законам, на первый взгляд весьма далеким от нашей повседневности — по законам квантовой механики.
Квантовые законы лучше всего заметны на поведении электронов. Время от времени электроны могут отрываться от своих атомов и отправляться в путешествие. С помощью классических законов физики объяснить это трудно.
Представим себе шарик, который катится по плоскости. На пути его гора. Энергия шарика меньше той, что нужна для преодоления горки. Закатится он на вершину? Нет, не закатится.

Но так дело обстоит только с шариком. Электрон, который часто заменяют при построении физических моделей шариком, даже обладая энергией, недостаточной для преодоления потенциального барьера — это его мы изобразили в виде горки, — сможет оказаться по другую его сторону, сумеет оторваться от ядра атома...

Странности электрона долго были непонятны, пока не был открыт дуализм частиц — двойственность их природы. Ведь электрон не только маленький шарик, подчиняющийся законам ньютоновской механики. Он еще и волна. И как волна он существует в пространстве как бы размазанным, текучим... И сквозь потенциальный барьер он протекает, словно бы по туннелю, примерно так же, как ручеек проникает сквозь горную толщу. Поэтому, наверное, свойство элементарных частиц преодолевать потенциальные барьеры, превышающие их энергию, и назвали «туннельным эффектом».
Ну а применим ли туннельный эффект к целым атомам твердого вещества? Ведь атом — это не что иное, как набор элементарных частиц. Этот вопрос возник не на пустом месте.

В 1934 году академик П. Л. Капица обнаружил некоторые странности жидкого гелия. Как известно, при понижении температуры все газы ведут себя примерно одинаково. Тепловое движение их молекул уменьшается, и они переходят сначала в жидкое состояние, а потом и вовсе превращаются в лед.

Поначалу так же вел себя и гелий. Когда его охладили в сосуде Дьюара до температуры около 4 градусов Кельвина, он послушно сжижился, но когда температуру опустили до 2,2 градуса, вместо того чтобы затвердеть, гелий приобрел сверхтекучесть — словно молоко, убегающее из кастрюли, он ринулся из сосуда сквозь щель размером в доли микрона. Причем давления, которое выжимало бы гелий наружу, не было!

Природу сверхтекучести объяснил академик Л. Д. Ландау. По разработанной им теории, при столь низких температурах не всем атомам гелия хватает квантов тепла. Как известно, тепловая энергия, как и любая другая, передается крошечными порциями-квантами, своеобразной разменной монетой микромира. Так вот, "квантов-монеток" хватило не всем атомам. И те из них, что остались «неимущими», оказались как бы при температуре абсолютного нуля. Ну а при нуле градусов любое вещество полностью теряет свойства, в том числе и вязкость.

Эти атомы и стали двигаться сквозь ничтожную щель без всякого сопротивления. А так как вынуждающего к этому внешнего давления не было, стало ясно, что это не просто атомы, а атомы-волны.

А как превратить жидкость с такими атомами в твердое вещество? Да, конечно же, охладив еще сильнее. Этим и занялись сотрудники Института физических проблем АН СССР, которым руководит П. Л. Капица. Температуру гелия понизили до 1,5 градуса Кельвина, но льдом он не стал. Пришлось усложнять эксперимент. Стеклянную ампулу с гелием окружили теплоизоляцией и поместили в жидкий азот. Оказалось, что и этого мало. Достаточно было просто пройти мимо установки, как температура гелия поднялась — ничтожная энергия сотрясений пола передалась гелию.

Установку поставили на вибро защитный фундамент. Помогло — температуру удалось несколько понизить, но меньше, чем предполагали. В ампулу откуда-то поступало лишнее тепло. Не сразу, но разобрались откуда. Гелий подогревали... радиоволны. Как ни слабы они были, а в области низких температур их влияние оказалось заметным. Даже звуки обычных разговоров мешали эксперименту! Пришлось экранировать помещение от всех видов электрических помех, во время экспериментов помалкивать или говорить шепотом.
И все же гелий не хотел замерзать! Оставалось последнее средство — поднять давление. Пользуясь этим «приемом», физики получали даже лед с температурой кипящей воды. И на этот раз метод не подвел.

В ампулу сквозь капилляр стали подкачивать жидкий гелий — здесь сверхтекучесть, кстати, сыграла на руку ученым. И при давлении около двадцати пяти атмосфер в ампуле, ее содержимое было видно сквозь прозрачное окошко установки — возник зыбкий кристалл.
Часть работы была сделана. Но как проверить, квантовый это кристалл или обычный лед? Ведь наблюдать надо за атомами!

Физики решили применить метод, носящий название ЯМР — ядерный магнитный резонанс. Чтобы понять его суть, вспомним еще раз о горке. Только на этот раз пусть это будет высокая обычная, земная гора. А шарик используем как маятник. Подвесим его на нитку, качнем и полезем в гору.

Добравшись до вершины, мы заметим, что частота колебаний нашего маятника здесь больше, чем у подножия горы. Почему? Определяющая вес шарика сила тяжести стала меньше.
Примерно так же изменяется в магнитном поле частота собственных колебаний ядер атомов. Магнитное поле сфокусировали так, что в одной части кристалла оно стало сильнее, а в другой — слабее. А на кристалл направили слабое высокочастотное поле. Частоту его подобрали так, чтобы она совпала с частотой ядер.

При резонансе, совпадении двух частот, часть энергии генератора неминуемо передается атомам, уходит на их «раскачку». Эти дополнительные потребители энергии вызывают ее излишний расход. Его фиксирует измеритель тока, а значит, по его показаниям можно следить за состоянием атомов.

Но как отличить один атом от другого, ведь они все одинаковые? Для этого физики вырастили кристалл не просто из гелия, а из двух его изотопов — гелия 3 и гелия 4; частота колебаний их атомов различна.

Приборы в новом эксперименте настроили в резонанс, по максимуму потерь, и стали ждать. Очень скоро потери стали меньше. Это значило, что потребители куда-то делись, забрались в другую часть кристалла, где «магнитная гора» выше. Впрочем, потери тут же вновь возросли. Затем снова уменьшились... Атомы убегали и возвращались, чтобы снова убежать.

Предположения о квантовой природе кристалла подтвердились. Но загадки кристаллов исчерпаны не были. Ученым не давало покоя то, что, несмотря на виброзащитный фундамент, граница соприкосновения кристалла с жидким гелием оставалась зыбкой, как бывает граница двух жидкостей. Кристалл продолжал чувствовать вибрации, которые не смог бы зарегистрировать ни один измерительный прибор!

Но раз поверхность колеблется, это не кристалл? Дальнейшие исследования показали, что структура — безупречно кристаллическая. А волны на поверхности — кристаллизационные.
Представьте, что вы нажали ладонью на крышку стола, и она провалилась без всякого сопротивления. А в другом месте на ней вдруг вырос горб. Если бы стол был сделан из квантового кристалла, в этом не было бы ничего необычного. Энергия нажатия мгновенно расплавила бы поверхность стола, а в другом его месте исчезнувшая часть кристалла появилась бы в виде нароста, имеющего что-то общее по структуре со сталактитом.

Скорости плавления и кристаллизации у квантовых кристаллов необычайно высоки — в миллиарды раз выше, чем у обычных кристаллов. А для возбуждения кристаллизационных волн почти не нужно усилий. Это доказали эксперименты: в стенку ампулы с гелиевым кристаллом впаяли две тоненькие металлические полоски — своеобразные обкладки конденсатора. К ним приложили электрическое напряжение. Напряжение должно вызывать между обкладками очень малые силы, как бы затягивающие гелий в зазор. Почему должны? Потому что измерить их никакими приборами невозможно. Ни пушинка, ни облачко, будь оно маленьким, их не почувствовали бы, но в эксперименте по поверхности квантового кристалла пошли хорошо заметные волны.

Чем же интересны эти свойства квантовых кристаллов?

Уже сейчас они могут помочь узнать, как должен выглядеть кристалл. Обычные кристаллы в отличие от квантовых растут долго. Так долго, что ни одного «взрослого», полностью выросшего кристалла в природе нет. Так что квантовыми кристаллами уже заинтересовались кристаллографы.

А невероятная чувствительность квантовых кристаллов к вибрациям, возможно, поможет сделать на их основе сверхчувствительные датчики колебаний, столь необходимые для регистрации гравитационных волн, поисками которых заняты ученые…

КАПЛЯ В КРИСТАЛЛЕ

Вы только что узнали, что кристаллы могут быть не только твердыми, как алмаз, но и мягкими, словно облако. Слышали вы, верно, и о жидких кристаллах — веществах, сочетающих в себе свойства и кристалла и жидкости. Но знаете ли вы, что в самом обычном кристалле могут содержаться капли жидкости?

Откуда они берутся? Чтобы понять это, нам придется начать издалека. А именно с того момента, когда вы решили вырастить кристалл из расплава или насыщенного раствора. Как сделать это, подробно описано в замечательной книге академика А. Е. Ферсмана «Занимательная минералогия»:

«...Купим в магазине химических реактивов 200 граммов квасцов (простых, белых) и медного купороса, возьмем два стакана кристаллизатора и будем заниматься кристаллизацией. Растворим сначала в стакане простой горячей водой соль квасцов, но так, чтобы вода не могла всего растворить, а чтобы на дне еще оставалась соль. Потом охладим воду и заметим, что количество осадка немного увеличилось. Часа через два осторожно сольем наш раствор в кристаллизатор, поставим его на окно и покроем аккуратно бумажкой. То же самое проделаем и с медным купоросом и получим второй раствор — ярко-синий — в другом кристаллизаторе.
На следующее утро мы увидим, что на дне обоих стаканов выпал осадок маленьких кристалликов: одни очень маленькие, другие побольше. Осторожно сольем наши растворы в стаканы, а сами выберем щипчиками наиболее крупные и аккуратные кристаллики — пять-шесть штук, — вытрем их мягкой промокательной бумагой. Теперь очистим от мелкого сверкающего осадка оба кристаллизатора, хорошенько вымоем их и снова вольем в них наши растворы, а потом осторожно щипчиками положим на дно отобранные кристаллики так, чтобы они не касались друг друга. Мы могли бы сделать еще иначе: накануне опустить в раствор ниточку, которая покрылась бы кристаллами; мы могли бы оставить из них только один или два, а затем ниточку снова опустить в наш кристаллизатор...

Через день утром, приподняв бумажку, мы увидим, что кристаллики немного выросли; мы осторожно повернем их на другой бок и снова оставим на день. Так день ото дня они будут расти и увеличиваться...»

Так обстоят дела в лаборатории, пусть даже и домашней. А что происходит в природе? В реальных условиях роста, где-то в земных недрах, растущий кристалл может захватить в свой объем и капельку материнского раствора. И через некоторое время эта капелька окажется внутри его объема.

Геологи, которые иногда эти капельки торжественно называют «минеральными соками земли», установили, что жидкости даже в составе самой твердой породы порою оказывается немало. Например, в 1 квадратном метре гранита может содержаться более 3 литров жидкости в виде капель диаметром от 10 до 0,1 см.

Причем каждая из этих капель может быть довольно «болтливой» и немало рассказать о кристалле, внутри которого она обнаружена. «Памятью» капли являются ее химический состав, форма и структура минерала в ее оболочке... Зная состав капли и состав минерала, можно установить состав флюида — того расплава, из которого когда-то образовался минерал. То есть, говоря другими словами, получить информацию о тех далеких временах, когда формировалась земная кора. Капля расскажет, при какой температуре это происходило, сколько раз нагревался, а потом охлаждался кристалл... Словом, маленькая капля оказывается как бы «летописцем» грандиозных событий в истории Земли.