Физика твердого тела

Физика твердого тела - основа материаловедения. Главные ее направления - решение важнейших проблем и прикладных задач по созданию новых материалов с наперед заданными свойствами, получение высокотемпературных сверхпроводников, изучение воздействия мощных электромагнитных излучений на вещество, изучение поведения экситонов высоких концентраций.

Директор Института физики твердого тела, член-корреспондент АН СССР Ю. А. Осипьян отмечал, что "усиление роли физики твердого тела в основном связано с громадным числом технических приложений, и в особенности с созданием новых материалов. Известно, что в науке и технике имеется множество принципиально новых идей, которые не могут быть реализованы из-за отсутствия материалов с нужным комплексом свойств, Можно даже сказать, что материалы лимитируют развитие целых областей техники. Например, мы знаем, как провести ряд процессов преобразования энергии, но пока нельзя создать такие агрегаты, в которых можно было бы осуществить эти преобразования. Конструктивные элементы таких агрегатов должны выдерживать сверхвысокие температуры и громадные давления, сильные электрические и магнитные поля. Если бы мы могли дать конструкторам энергетических реакторов необходимые материалы, задача преобразования энергии была бы решена значительно быстрее".

Важнейшую ветвь физики твердого тела составляет кристаллография, изучающая строение, свойства и образование кристаллов. Она относится к числу наиболее ярко выраженных пограничных наук. Кристаллография исследует проблемы, общие для физических, химических, геологических, биологических и технических отраслей знания.

Исключительно важная особенность кристаллов - способность менять свои свойства под влиянием внешних воздействий - света и электромагнитных волн, механических напряжений, магнитного поля, ядерных излучений, температуры. Поэтому кристаллы могут служить естественными источниками, приемниками, преобразователями, усилителями физических процессов.

Сейчас трудно представить себе какую-либо область техники, которая не нуждалась бы в кристаллах. И в первую очередь это полупроводниковая техника. Монокристаллы - сердце лазеров и мазеров, они работают в радиосхемах и счетно-решающих устройствах, являются прекрасными средами для записи информации.

"Переворот в радиоэлектронике, - отмечает директор Института кристаллографии, академик Б. К. Вайнштейн, - вызванный применением полупроводников, развитие квантовой электроники, квантовой акустики - это техническое воплощение открытий физики в изучении свойств кристаллов. На этой основе возникли многие ветви техники.

Естественно, что сначала использовались и исследовались природные кристаллы, которые человек добывает из земных недр. Но такие кристаллы - горный хрусталь, флюорит, алмазы и др. - удовлетворяют лишь малую долю потребностей сегодняшнего дня. И дело даже не в том, что их запасы ограничены, а в том, что большинство используемых в технике монокристаллов открыто и синтезировано в лабораториях и по своим свойствам не имеет природных аналогов".

В настоящее время в различных отраслях народного хозяйства с большим успехом используются синтетические кристаллы.

Главной особенностью кристаллической структуры является строгая периодичность составляющих ее элементов. В любом кристалле можно выделить основную строительную единицу. В кристаллографии такие "кирпичи" называются элементарными ячейками. При сложении элементарных ячеек вдоль трех координатных направлений пространства и получается кристалл. Решить структуру кристалла - значит определить координаты входящих в его состав атомов.

Так, например, созданные в Институте кристаллографии кристаллы рубина, лейкосапфира, иттрий-алюминиевого граната и др. позволили решить ряд важных научно-технических задач, Среди них получение мощных лазерных излучений, управление световыми пучками и т. п. Встал вопрос об использовании электрооптических свойств кристаллов для создания сверхбыстродействующих вычислительных машин. Кроме высокой разрешающей способности такие машины будут во много раз меньше существующих (крупногабаритные устройства памяти современной ЭВМ может заменить кристалл величиной со спичечную коробку). На кристаллах можно создать телевизор без кинескопа.

С каждым годом все более широкое применение находят жидкие кристаллы. Они были обнаружены австрийским ботаником Ф. Рейнитцером в 1888 г. Синтеза рованное им вещество при нагревании плавилось как бы дважды. Сначала кристаллы превращались в мутную жидкость, которая под микроскопом казалась состоящей из каких-то странных звездочек. Если ее продолжали нагревать, жидкость светлела и делалась прозрачной. Она проявляла невиданную комбинацию свойств - текла, капала, смачивала поверхности, как все жидкости, но под объективом поляризационного микроскопа выглядела как твердое вещество. Жидкие кристаллы очень чувствительны к слабым изменениям внешних условий. Поразительное воздействие на жидкие кристаллы производят электрическое и магнитное поля.

"Есть основания предполагать, - рассказывает руководитель группы по исследованию жидких кристаллов Института кристаллографии АН СССР, доктор физико-математических наук И. Г. Чистяков, - что зародыши жизни на Земле - первые комочки живой плазмы - имели жидкокристаллическое строение. Как показывают исследования, такое же строение свойственно структуре клеточных мембран некоторых современных живых существ- и наших с вами тоже. Например, установлено, что волокна гладких и поперечнополосатых мышц "сконструированы" из жидких кристаллов. Они входят (или могут входить) в состав многих жиров, ферментов, сухожилий... Сложнейшей жидкокристаллической структурой, по мнению ученых, является и наш мозг.

С помощью жидких кристаллов можно без всяких приборов мгновенно измерять температуру любых предметов с точностью до сотых долей градуса. Диапазон их применения необъятен - от исследований высшей нервной деятельности человека до создания новых методов контроля обувного производства. Советские химики обеспечили эти исследования, создав большое количество разнообразных жидких кристаллов. Список этих веществ, уже освоенных промышленностью, насчитывает десятки видов. Мы не сомневаемся, что вскоре они займут в технике такое же место и приобретут такое же значение, как и полупроводники".

Среди новых материалов прочно заняли место сегнетоэлектрические монокристаллы и керамики. В материалах с диэлектрическими свойствами - слюде, стекле, бумаге - поляризованное состояние возникает и сохраняется под влиянием внешнего электрического поля. В отличие от них сегнетоэлектрики поляризованы сами по себе, и эта особенность - характерый признак их устойчивого состояния. Необычные свойства, присущие им, впервые были обнаружены у органических кристаллов сегнетовой соли, с чем и связано наименование всей группы этих веществ.

На кончике иглы звукоснимателя есть крошечный кристаллик, который переводит механические колебания диска в звуковые электрические сигналы. Это сегнето-электрик. Уникальное свойство самопроизвольно поляризоваться без. внешних электрических воздействий - отличительная особенность всех сегнетоэлектриков. Сегнетоэлектрик может поочередно работать и как излучатель, и как приемник в одном устройстве.

"Ферромагнитные свойства материалов, - рассказывает Б. К, - Вайнштейн, - например железа, кобальта, никеля, известны с древних времен и изучаются несколько столетий кряду. Сегнетоэлектрические же свойства впервые обнаружены всего немногим более полувека назад. Сначала сегнетоэлектрический эффект считался академическим курьезом. Лишь в последние 20-30 лет начался бурный рост исследований сегнетоэлектрических материалов. Это вызвано потребностями в них новейших областей техники - оптоэлектроники, электро- и гидроакустики, радиотехники и автоматики.

Советские ученые еще на ранней стадии развития теории сегнетоэлектричества заняли ведущее место. Работы академика И. В. Курчатова по изучению сегнетовой соли, открытие академиком Б. М. Вулом одного из наиболее эффективных сегнетоэлектриков - титаната бария, обнаружение и исследование ряда окисных сегнетоэлектриков Г. А. Смоленским заложили прочный фундамент для развития этой отрасли науки. Цикл работ по кристаллографии и кристаллохимии сегнетоэлектриков, выполненных авторским коллективом в составе Ю. Н. Ве-невцева, И. С. Желудева, В. А. Исупова, В. В. Климова, Е. Г. Фесенко и Л. А. Шувалова, представляет наиболее значительные достижения советской науки в области сегнетоэлектричества за последние 20 лет. Они широко признаны у нас и за рубежом".

Перечисленным ученым удалось обнаружить более 180 новых сегнетоэлектриков. Среди них большое число сегнетоэлектриков, принадлежащих к новым структурным типам. Сначала были теоретически предсказаны, а затем получены вещества совершенно нового класса, обладающие одновременно магнитными и диэлектрическими свойствами, - сегнетомагнетики.

На основе сегнетоэлектриков разработан ряд перспективных керамических составов, обладающих ценными электромеханическими свойствами. Они нашли применение в промышленности в пьезопреобразователях, усилителях электрических колебаний, пьезотрансформаторах. Некоторые составы получены в виде оптически прозрачной керамики, что открывает новые области для их использования. У сегнетоэлектрических материалов большое будущее.

Экситон в полупроводниках и диэлектриках

Ученые Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе АН СССР члены-корреспонденты АН СССР Е. Ф. Гросс и Я. Н. Френкель и кандидат физико-математических наук Н. А. Карыев обнаружили неизвестное ранее явление существования в полупроводниках и диэлектриках особого возбужденного состояния кристалла - новой квантовой частицы экситона. Экситоны участвуют во многих физических процессах: оптических, фотоэлектрических, тепловых. Они присутствуют в явлениях люминесценции, преобразования солнечной энергии в электрическую и т. д. Роль экситонов здесь нередко определяющая.

"Появлению в физике понятия "экситон", - рассказывает Н. А. Карыев, - предшествовал целый ряд экспериментальных исследований фотоэлектрических явлений, в которых обнаружилось совершенно непонятное поведение кристаллов при поглощении света. Было установлено, что в процессе поглощения света, которое всегда протекает как результат взаимодействия квантов света с веществом, возбужденный электрон может покинуть твердое тело. Это явление, называемое внешним фотоэффектом, возникает лишь тогда, когда энергия кванта света равна работе выхода электрона из вещества или превышает ее.

Вместе с тем существует другая разновидность фотоэффекта - внутренний фотоэффект, или фотопроводимость, которая вызывается при относительно меньших энергиях квантов света. В этом случае возбужденный электрон не отрывается от вещества, а лишь переводится в свободное состояние, оставаясь внутри кристалла. В результате поглощения света увеличивается электропроводность вещества, уменьшается его сопротивление. Отсюда, казалось бы: чем больше поглощается квантов света, тем лучше кристалл должен проводить электрический ток.

Однако изучение внутреннего фотоэффекта обнаружило новое свойство полупроводников и диэлектриков, которое не нашло объяснения в рамках сложившейся к 30-м гг. квантовой теории тела, т. е. зонной теории. Суть дела в следующем. При облучении кристалла светом в диапазоне длин волн, который полностью поглощался уже в тончайшем слое вещества, согласно зонной теории, ожидалось лавинообразное появление свободных носителей заряда. Однако фотоэлектрический ток либо вовсе не регистрировался, либо число образовавшихся носителей заряда составляло ничтожную долю поглощенных квантов света (фотонов).

В 1931 г. советский физик Я. Н. Френкель теоретически обосновал свою идею о существовании ранее неизвестной частицы, способной поглощать свет, но в то же время электрически нейтральной. Предполагаемую частицу Френкель назвал экситоном (от английского слова "возбуждение"). Идеи Френкеля получили широкое развитие в теоретических работах как советских, так и зарубежных ученых. Но вопрос о том, не является ли экситон только лишь умозрительным понятием и существует ли в кристаллах такая квазичастица, оставался открытым целых 20 лет. Лишь в 1951 г. советскими учеными было получено прямое экспериментальное доказательство существования экситонов в кристаллической решетке".

Экситон состоит из пары частиц - возбужденного электрона и частицы с некомпенсированным положительным зарядом, образовавшейся на месте ушедшего электрона, т. е. дырки. Такая система из двух противоположно заряженных частиц, связанных друг с другом силами притяжения, во многом напоминает атом водорода. Отсюда следует, что экситон должен иметь водоро-доподобный спектр поглощения, а равно и излучения. Реальность существования новой частицы могла быть подтверждена лишь прямыми наблюдениями водородо-подобной серии спектральных линий в поглощении или излучении света кристаллами. Было известно, что серии спектральных линий наблюдаются в спектрах излучения элементов только в газообразном состоянии. В твердых телах спектральные серии никогда не наблюдались.

В условиях разреженного атомарного газа, когда атомы отделены друг от друга значительным расстоянием, каждый из них можно рассматривать в виде самостоятельной электрической системы. Излучение такого изолированного атома фиксируется на . фотопластинке в виде чрезвычайно узких линий. Каждой линии соответствует определенная длина волны, частота и энергия. Спектральные линии свидетельствуют о наличии в атоме энергетических уровней и дают картину электронных переходов между энергетическими уровнями. Частоты излучения атома образуют закономерную последовательность, называемую спектральной серией. Получаемый спектр позволяет определить положение уровней энергии атома, массу электрона, заряд ядра, количество нейтронов в атомном ядре и т. д.

Закономерность в спектре излучения атомов с особой четкостью и простотой проявляется у водорода. Сведения, полученные путем исследования оптического спектра водорода, сыграли первостепенную роль в создании атомной физики и послужили Н. Бору экспериментальной основой для создания квантовой теории атома. Но другое дело - экситон. Ведь существование зкситона предполагалось в твердом теле, где электроны ведут себя совершенно иначе.

В кристаллах, если представить себе их энергетическую топографию, валентные электроны вместо отдельных энергетических уровней имеют непрерывный ряд значений энергии в определенном интервале, т. е. зону энергии. В зонах электроны приобретают коллективные свойства. Они перестают принадлежать отдельным атомам и обобществляются по всему кристаллу. Интервал энергии нормальных состояний коллективизированных электронов называется валентной зоной. Есть здесь и зона возбужденных состояний - зона проводимости. Она отделена от валентной зоны энергетическим барьером, называемым запрещенной зоной.

Пребывание электронов в запрещенной, зоне чистого кристалла считалось невозможным. Согласно зонной теории фотопроводимость возникает в результате скачкообразного перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Существование энергетических зон, которое вытекает из квантовомеханического рассмотрения электронных состояний в твердом теле, подтверждается, например, оптическим спектром, который в отличие от чрезвычайно узких атомных линий в данном случае имеет вид широкой полосы. Сплошной спектр показывает, что энергия электрона и соответственно ей частоты излучения атома изменяются непрерывно.

Но реальность существования экситона в твердом теле, как уже говорилось, в первую очередь требует прямого наблюдения в излучении или поглощении света кристаллом стройной серии узких спектральных линий.

В 1951 г. Е. Ф. Гросс и Н. А. Карыев зафиксировали серию узких спектральных линий в спектре поглощения кристаллов закиси меди и сернистого кадмия при охлаждении их до температуры - 200-270° С. К настоящему времени получены опытные доказательства существования экситонов во многих кристаллах, - в том числе рентгеновских экситонов, и изучены их свойства.

В 1951 г. было обнаружено семь узких спектральных линий, отвечающих разным состояниям возбуждения экситона. Порядок расположения их энергетических уровней был аналогичен существующему в атоме водорода. Экспериментальные данные позволили определить важные параметры: эффективную массу экситона и эффективную массу электрона в кристалле. Последняя оказалась почти в 2 раза меньше массы свободного электрона. Были определены и энергия образования и фотодиссоцн-ации экситона, и другие его характеристики. Оказалось, что в экситоне процессы протекают также и в обратном направлении - в сторону уменьшения энергии. При этом экситон переходит с высоких уровней возбуждения на низкие и исчезает вследствие рекомбинации электрона с положительным зарядом. В этих процессах запасенная энергия выделяется в виде излучения (люминесценции) или тепла. При этом могут наблюдаться и другие явления, например экситонные удары, приводящие к ионизации атомов примеси.

Между экситоном и атомом водорода есть не только сходство, но и принципиальное различие. Атом водорода является устойчивым образованием и в нормальном состоянии может существовать сколь угодно долго. Экситон же имеет ограниченную продолжительность жизни, и все его состояния без исключения являются уровнями возбуждения. Как динамическое образование экситон способен перемещаться по кристаллу на значительные расстояния и переносить энергию. Кроме поступательного движения он вращается вокруг общего центра, т. е. обладает собственным моментом количества движения (спином). В отличие от электрона, экситон относится к разряду частиц с целочисленным спином, как, например, у фотона. На подобие экситона фотону в настоящее время обращается особое внимание в связи с перспективой создания сверхмощных экситонных квантовых генераторов.

Для ряда кристаллов уже получен режим квантовых генераторов на экситенах с КПД более 30%. Об этом докладывалось на IX Международной конференции по свойствам полупроводников, проведенной в Москве в 1968 г. Тогда же в журнале "Эврика" появилось сообщение об обнаружении экситонной молекулы - биэкситона, что служит доказательством способности экситонов вступать в соединения друг с другом, подобно атомам химических элементов. Сейчас научились создавать целые экситонные комплексы, образующиеся в условиях больших концентраций экситонов. Получены, данные о конденсации экситонного газа.

Важные результаты достигнуты в исследованиях коллективных свойств экситонов. Перспективны надежды, возлагаемые на сверхплотные состояния экситонов. Работы, ведущиеся в этом направлении, нацелены на получение в конечном счете новой формы вещества - экситонного вещества. Это вещество должно обладать свойством сверхтекучести. Оно будет способно существовать в двух агрегатных состояних - жидком и газообразном.

"Изучение экситонного вещества, - подчеркивает академик Б. М. Вул, - несомненно, откроет новые его свойства, а возможно, и такие свойства вещества, о которых мы в настоящее время не знаем".

Экситоны участвуют во многих физических процессах, и не только физических. Высказываются идеи о существенной роли экситонов в процессах фотосинтеза растений и о возможности изучения их на атомном уровне. Судя по сообщениям, появившимся в печати разных стран, некоторые биологи придерживаются мнения, что экситоны высоких энергий в будущем помогут раскрыть механизмы раковых заболеваний. Большое значение имеют экситоны для химической технологии. С их помощью будут созданы новые способы катализа реакции, что намного ускорит производственные процессы.

Выдающееся открытие советских физиков получило мировое признание. Успехи современной физики твердого тела во многом обязаны этому открытию. Оно создало новое направление - экситонную физику - и послужило основой новой полупроводниковой техники - экситоники.

Открытие советских ученых внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 105 с двумя приоритетными датами: от 1931 г. (по времени сформулированного Я. Н. Френкелем положения о существовании экситона) и от 1951 г. (по времени экспериментального обнаружения экситона Е. Ф. Гроссом и Н. А. Карыевым). Всем трем авторам открытия вручены дипломы со следующей формулой открытия:

"Установлено неизвестное ранее явление - существование особого возбужденного состояния кристалла - экситона, который представляет собой связанную систему из электрона и дырки, способную двигаться по решетке и проявляющуюся в виде водородоподобной серии узких линий в спектре собственного поглощения света кристаллом".

Явление фазовых переходов вещества в магнитном поле

Профессор, доктор физико-математических наук Н. Б. Брант, кандидаты физико-математических наук Е. А. Свистова и С. М. Чудинов (МГУ имени М. В. Ломоносова) совместно с членом-корреспондентом АН СССР А. А. Абрикосовым (Институт теоретической физики имени Л. Д. Ландау АН СССР) открыли ранее неизвестное явление фазовых переходов вещества в магнитном поле.

Все знают классическое деление твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики. Ранее полагали, что оно носит абсолютный характер и принадлежность вещества к одной из этих групп является его постоянным свойством. Правда, было известно, что под действием высокого давления свойства веществ меняются, однако это изменение является следствием кардинальной перестройки структуры кристаллической решетки, так что при этом возникает, по существу, новое вещество. Например, такой полупроводник, как германий, при нормальных условиях имеющий решетку типа алмаза, при давлении в несколько сот тысяч атмосфер превращается в вещество с гранецентрированной кубической решеткой. В последние десятилетия было обнаружено, что под действием давления можно изменять свойства вещества без качественной перестройки кристаллической решетки. Изменение свойств вещества при таких переходах происходит в результате качественного изменения свойств электронов.

До недавнего времени считалось, что реально достижимые магнитные поля не могут существенно изменить свойства твердого тела. В 1967 г. группа сотрудников физического факультета МГУ под руководством профессора Н. Б. Бранта начала экспериментальное исследование веществ в сверхсильных магнитных полях. Для проведения экспериментов была создана установка, позволяющая впервые в мире получать магнитные поля до 600 тыс. Э при температурах, близких к абсолютному нулю, и проводить исследования свойств веществ в этих условиях. На Земле в естественных условиях таких магнитных полей нет, но астрофизики полагают, что они существуют во Вселенной в районах нейтронных звезд. Одновременно с экспериментами были начаты теоретические исследования под руководством члена-корреспондента АН СССР А. А. Абрикосова.

Авторы открытия установили, что сильное магнитное поле может придавать веществам новые необычные свойства, когда оно действует при температуре, близкой к абсолютному нулю. Так, металлы становятся изоляторами, а диэлектрики - проводниками. Кроме того, были обнаружены два совершенно новых для физики состояния вещества - бесщелевое состояние и экситонная фаза.

"Оба эти состояния, - рассказывает Н. Б. Брант, - промежуточные между металлическим и диэлектрическим состоянием. Они обладают рядом качественно новых свойств, не присущих металлу или диэлектрику. Бесщелевое состояние, возникающее в магнитном поле, образуется в системе электронов, каждый из которых имеет только одну степень свободы вдоль магнитной силовой линии. Такая система называется одномерной. Именно эта ее особенность определяет качественное отличие бесщелевого состояния в магнитном поле от известного ранее бесщелевого состояния, возникающего в кристаллах с определенной симметрией решетки или под действием давления, в котором носители тока имеют три степени свободы движения.

Наиболее удивительной является экситонная фаза. В этой фазе все или часть носителей объединяются в пары, состоящие из электрона и дырки. У таких пар, называемых экситонами, электрический заряд равен нулю. В связи с этим они перестают переносить электрический ток. Поэтому если в спаривании примут участие все наличные носители тока, то система полностью утратит электропроводность и превратится в так называемый экситонный диэлектрик. Многими свойствами экситон-ный диэлектрик напоминает сверхпроводник. В сверхпроводнике носители тока также образуют пары, состоящие из двух электронов. Движение сверхпроводящих пар сопровождается переносом заряда и образованием сверхпроводящего тока".

Конечно, металл, рожденный магнитным полем, это искусственный металл с некоторыми новыми качествами. Но ему присущи все основные свойства естественного металла - металлическая проводимость, электронная теплоемкость, теплопроводность.

Открытие позволяет управлять свойствами вещества при помощи магнитного поля. Оно положило начало новому направлению в физике твердого тела - исследованиям свойств вещества в экстремальных физических условиях, при которых энергия взаимодействия с внешними магнитными полями превышает характерные энергии внутренних взаимодействий. Полученные авторами открытия результаты по качественному изменению свойств вещества и возникновению его новых состояний в магнитном поле объясняют гальваномагнитные и другие явления в ультрадавантовой области магнитных полей. Они подтверждаются опытами, поставленными в научных центрах СССР, США, Канады, Японии, Швейцарии.

Открытие вооружает инженеров новыми принципами конструирования полупроводниковых приборов, измерительной техники с высоким быстродействием. Оно позволяет сделать оптический квантовый генератор универсальным прибором. Пока современные ОКГ производят электромагнитные волны только одной длины (частоты). Поэтому существуют много типов ОКГ с различными энергетическими характеристиками. Одни ОКГ могут лишь нагреть вещество, другие - расплавить и даже испарить, третьи - зажечь высокотемпературную плазму. Каждому типу ОКГ соответствует свой активный элемент, испускающий свет, - кристалл, газовая смесь, жидкость с растворенными окислами некоторых элементов, полупроводники.

Необычная широта сферы применения ОКГ требует все новых типов их конструкций. Если же активный элемент изготовить из искусственных материалов, полученных с помощью сильного магнитного поля, то ОКГ станет универсальным. Под действием магнитного поля прибор сможет менять частоту излучения и работать в разных режимах. Открытие привело к развитию нового направления в электронике, получившего название радиоэлектроники милливольтного диапазона, а также к созданию твердотельных электронных приборов нового типа.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 156 с приоритетом от 25 июня 1967 г. Оно сформулировано так:

"Установлено неизвестное ранее явление фазовых переходов вещества в магнитном поле, заключающееся в том, что под действием сильного и сверхсильного магнитного поля происходит переход металла в полупроводник, полупроводника в металл и образование бесщелевого состояния вещества и экситонных фаз. Указанное явление наблюдалось экспериментально при температуре ниже 20° K".

Давыдовское расщепление

Силы взаимодействия между молекулами молекулярного кристалла сравнительно слабы, поэтому молекулы в известной степени сохраняют свою индивидуальность. Долгое время казалось, что и спектральные свойства молекулярного кристалла при очень низких температурах будут близки спектральным свойствам свободных молекул. Иными словами, предполагалось, что с каждой молекулярной частотой поглощения света в кристалле можно сопоставить соответствующую полосу поглощения.

Теоретические исследования, проведенные в 1948 г. академиком АН УССР А. С. Давыдовым, показали, что подобное сопоставление возможно только в простейших кристаллах, где все молекулы имеют одинаковую ориентацию. В таком случае говорят, что элементарная ячейка кристалла содержит одну молекулу (элементарной ячейкой называется наименьшая структурная единица кристалла, трансляционным повторением которой можно образовать весь кристалл). В состав элементарных ячеек подавляющего большинства кристаллов входит не одна, а несколько различно ориентированных молекул. При поглощении света молекулы кристалла переходят в возбужденные состояния, и между ними возникают новые резонансные взаимодействия, связанные с переходом возбуждения от одной молекулы к другой.

Открытие А. С. Давыдова и развитая им теория возбужденных состояний сложных молекулярных кристаллов показали, что при наличии в элементарной ячейке двух молекул спектр кристалла должен состоять из дублетов (мультиплетов) строго поляризованных линий. Каждый дублет (мультиплет) соответствует одному элементарному возбуждению молекулы. Это явление получило экспериментальное подтверждение во многих лабораториях и с 1951 г. стало называться в мировой литературе давыдовским расщеплением.

Известный японский физик Танака отмечает: "Исследование электронной структуры сложных молекул в кристаллическом состоянии было довольно скудным до тех пор, пока Давыдовым не была развита теория экситоиов в молекулярных кристаллах".

Расстояние между компонентами Давыдовского дублета (мультиплета) и их относительная интенсивность зависят от свойств молекул, характера сил взаимодействия между ними и структуры элементарной ячейки молекулярного кристалла. Поэтому, изучая спектры кристаллов при низкой температуре, можно получить дополнительные сведения о свойствах молекул, об-их взаимодействии и о структуре кристалла. Особенно удобен такой метод при исследованиях изменений структуры в кристалле при фазовых переходах или под влиянием механических деформаций.

Наличие Давыдовского расщепления в спектрах молекулярных кристаллов указывает на коллективный характер возбужденных состояний кристалла. Характерной особенностью этих состояний является возможность их перемещения из одних областей кристалла в другие. Такое перемещение энергии возбуждения лежит в основе многих явлений, происходящих в кристаллах. Одно из них получило широкое практическое применение. Это сенсибилизированная люминесценция, возникновение которой зависит от эффективности миграции энергии возбуждения в кристалле. Представление о коллективных элементарных возбуждениях - экситонах, перемещающихся в кристаллах, сейчас с большим успехом используется в биофизике при исследовании процессов, связанных с переносом энергии в белковых молекулах.

Теоретические и экспериментальные исследования давыдовского расщепления в спектрах кристаллов широко развернулись в Советском Союзе и в других странах.

Открытие А. С. Давыдова внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 50 с приоритетом от 19 июня 1948 г. Формула открытия следующая:

"Теоретически установлено неизвестное ранее явление расщепления невырожденных, внутримолекулярных термов б молекулярных кристаллах, на две (или более) квазинепрерывные полосы возбужденных, состояний кристаллов, причем число полос равно числу молекул в элементарной ячейке".

Явление анизотропии ионно-электронной эмиссии монокристаллов

Доктора физико-математических наук Е. С." Машкова и В. А. Молчанов (МГУ имени М, В. Ломоносова) совместно с кандидатом физико-математических наук Д. Д. Одинцовым (Физико-энергетический институт, г. Обнинск), доктором физико-математических наук В. Г. Тельковским (Московский инженерно-физический институт) и кандидатом физико-математических наук В. М. Чичеровым (Институт атомной энергии имени И. В. Курчатова) открыли явление анизотропии ионно-электронной эмиссии монокристаллов.

Изучение взаимодействия быстрых атомных частиц с кристаллическим твердым веществом представляет большой научный и практический интерес. Исследование этих взаимодействий началось около 20 лет назад и позволило установить несколько неожиданных эффектов, получивших название ориентационных, т. е. зависящих от направления. К их числу относится и данное открытие.

Число электронов, эмитируемых из кристалла под действием ионной бомбардировки, резко уменьшается при совпадении направления падения ионов с кристаллографическими осями мишени. Это явление впервые было обнаружено авторами открытия в 1960 г. при экспериментальном изучении взаимодействия ускоренных ионов с монокристаллами.

Необычными оказались два характерных свойства обнаруженного явления. Первое: открытая анизотропия ионно-электронной эмиссии качественно отличается от анизотропии других свойств кристаллов - механических, электрических, магнитных, оптических и т. д. Зависимости этих свойств кристаллов от кристаллографического направления являются плавными и описываются тензорами второго ранга, в то время как изменение числа эмитируемых из кристалла электронов происходит в основном лишь в узких угловых интервалах вблизи кристаллографических осей. Второе характерное свойство анизотропии ионно-электронной эмиссии - значительная величина уменьшения числа эмитированных электронов, которая достигает в типичных случаях нескольких сот процентов при изменении угла между направлением падения ионов и кристаллографическим направлением всего на несколько градусов.

Эксперименты 1961-1973 гг., проводившиеся авторами открытия в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ, характеризовались многочисленными систематическими исследованиями открытого явления. Изучалась анизотропия ионно-электронной эмиссии для кристаллов различных симметрии с разными типами связей. Была проанализирована зависимость анизотропии ионно-электронной эмиссии от вида и энергии ионов, температуры и степени упорядоченности мишени.

Анизотропия ионно-электронной эмиссии является одним из первых ориентационных эффектов взаимодействия атомных частиц с кристаллами. Вместе с другими ориентационными эффектами она легла в основу новой области физики твердого тела - радиационной физики упорядоченных сред. Открытие дает возможность непрерывного контроля радиационных дефектов в облучаемом образце, а также контроля ориентации монокристаллов. На основе открытия создан ряд изобретений.

Анизотропию ионно-электронной эмиссии широко исследовали для различных классов твердых тел - металлов, полупроводников и диэлектриков - в лабораториях СССР, США, Франции, Голландии, ГДР.

Открытие зарегистрировано под № 126 с приоритетом от 13 октября 1960 г. Формула открытия следующая:

"Установлено ранее неизвестное явление анизотропии ионно-электронной эмиссии монокристаллов, заключающееся в уменьшении числа эмитированных электронов при направлении падающих ионов вдоль кристаллографических осей мишени".

Фотопластический эффект

В науке давно утвердилось представление о том, что прочность и пластичность твердых тел определяются только их атомно-кристаллической структурой, что для изменения пластических свойств кристалла необходимо изменить состояние его кристаллической решетки, т. е. ввести в него какие-либо примеси, подвергнуть вещество легированию, закалке и т. д.

Член-корреспондент АН СССР Ю. А. Осипьян и научный сотрудник И. Б. Савченко (Институт физики твердого тела АН СССР), исследуя действие обычного видимого света на кристаллы полупроводников, обнаружили существенное влияние его на их пластические свойства. Они назвали это явление фотопластическим эффектом.

Ученые сжимали и растягивали образцы полупроводников на высокоточной установке до тех пор, пока не наступала пластическая деформация, т. е. пока образец не терял своих упругих свойств. Затем включался источник света, который освещал полупроводник. Вопреки известным положениям приборы регистрировали почти двойное увеличение прочности полупроводника. Но стоило выключить свет, как прочность уменьшалась и вскоре достигала своего первоначального значения.

Чем же объясняется столь загадочное явление? Проведя многочисленные эксперименты, Ю. А. Осипьян и И. Б. Савченко сумели ответить на этот вопрос. Свет не влияет на кристаллическую решетку твердого тела, но оказывает существенное воздействие на электронную структуру образца. Внутри кристалла перераспределяются электрические заряды, отчего дислокации носителей пластической деформации тормозятся и кристаллы заметно уплотняются.

Академик Г. В. Курдюмов отмечает, что фотопластический эффект углубляет представления о природе прочности и пластичности кристаллов. Он послужит основой нового типа элементов автоматического регулирования, новой технологии полупроводников, создания качественно новых приемников видимого светового и Инфракрасного излучения и т. д.

На основе познанного явления авторы открытия разработали новый способ управления пластичностью полупроводниковых кристаллов. Дальнейшие их исследования привели к наблюдению еще одного прежде неизвестного явления - инфракрасного гашения фотопластического эффекта.

Открытие советских физиков получило мировое признание. Оно было подтверждено экспериментами шведских ученых.

Открытие зарегистрировано под № 93 с приоритетом от 21 декабря 1967 г. в такой формулировке:

"Установлено ранее неизвестное явление, заключающееся в изменении сопротивления пластической деформации кристаллов полупроводников под действием света, причем максимальное изменение происходит при длинах волн, соответствующих, краю собственного поглощения кристаллов (фотопластический эффект)".

Электронный термомагнитный эффект

Группа ученых Института радиотехники и электроники АН СССР, куда вошли кандидаты технических наук А. Н. Выставкин, Т. М. Лифшиц и П. Г. Мельник и кандидат физико-математических наук Ш. М. Коган, открыла ранее неизвестный эффект при исследовании электронных процессов в полупроводниках. Сущность его заключается в следующем. Если полупроводник или металл поместить в магнитное поле и в перпендикулярном направлении облучить его электромагнитным излучением, то в третьем перпендикулярном направлении на концах полупроводника вследствие неравномерного разогрева электронов возникает электродвижущая сила.

Открытие было сделано в процессе исследования воздействия миллиметрового и субмиллиметрового излучения на электропроводность сурьмянистого индия n-типа при гелиевых температурах. Оно дало возможность существенно продвинуть исследования вперед и установить условия, при которых эффект разогрева проявляется наилучшим образом.

Явление разогрева электронов в сурьмянистом индии n-типа при гелиевых температурах используется при создании высокочувствительных приемников миллиметрового и субмиллиметрового излучения, которые применяются в радиоастрономии, космических исследованиях, спектроскопии, радиотеплолокации.

Понимание процессов, лежащих в основе механизма работы этих приемников, позволило установить оптимальные концентрации для примесей в сурьмянистом индии. Институт радиотехники и электроники и другие предприятия, где изготовляется столь чувствительный материал для приемных элементов, получили авторское свидетельство на изобретение. Институт радиотехники и электроники АН СССР и его СКВ в свое время изготовили большое количество макетов подобных приемников для различных исследовательских организаций страны, в том числе для астрофизических обсерваторий.

Коллектив института и авторы открытия и изобретения в 1966 г. были удостоены за созданные приемники золотой медали Лейпцигской ярмарки и золотой медали ВДНХ, а в 1967 г. - премии имени А. С. Попова президиума АН СССР.

Описанное открытие зарегистрировано под № 21 с приоритетом от 4 ноября 1961 г.

Явление спонтанного трех- и четырехфотонного параметрического рассеяния света в твердом теле

Доктор физико-математических наук Д. Н. Клышко, кандидат физико-математических наук В. В. Фадеев, научный сотрудник О. Н. Чунаев (физический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова), доктора физико-математических наук А. А. Гринберг, С. М. Рыбкин и И. Д. Ярошевский, кандидаты физико-математических наук Н. И. Крамер и И. М. Фишман (Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе) открыли явление спонтанного распада в твердом теле одного или двух фотонов падающего света на пару фотонов, обусловленное нелинейностью поляризуемости связанных электронов среды. Явление получило название параметрического рассеяния света.

Ученые установили, что, если на прозрачные тела, например кристаллы, падает когерентный луч строго определенного цвета, на выходе можно регистрировать гамму самых разных цветов. Они выходят конусом - каждый под своим углом, что противоречит классическому закону, связывающему угол преломления на границе двух сред с углом падения. Поворот кристалла изменяет распределение цветов, к тому же приводит и изменение его температуры или воздействие электрического поля. Цветовой конус будет различен и для кристаллов с разным строением.

Солнечный свет содержит все цвета. При параметрическом же рассеянии в кристалле рождается много новых цветовых компонентов, которых не было в падающем свете. Любая прозрачная среда под воздействием попавшего в нее света начинает излучать собственные колебания. Если электроны колеблются в такт с пришедшей световой волной, частота меняется мало. Это происходит, когда энергия волны сравнительно невелика. Но при получении очень сильных сигналов, в том числе от ОКТ, электроны порождают собственное излучение иной интенсивности и частоты. А поскольку цветовое "одеяние" света связано с частотой, синий луч может превратиться в красный и т. п. Ничего подобного классическая оптика не знала.

Открытие подтверждает правильность представлений, лежащих в основе нелинейной оптики. Оно может быть использовано для измерения квадратичной и кубичной нелинейных восприимчивостей. При больших мощностях падающего света, получаемых с помощью импульсных квантовых генераторов, интенсивность и направленность рассеянного излучения становятся достаточно высокими, и эффект, который в данном режиме называют параметрической сверхлюминесценцией, может представить интерес для создания импульсных источников света с перестраиваемой частотой. Открытие послужило основой нового вида спектроскопии конденсированных сред, позволяющей получать в несравненно более короткое время значительно больше сведений о строении вещества, чем с помощью прежних методов спектроскопии.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 150 с приоритетом от 29 ноября 1965 г. Формула его такова:

"Установлено неизвестное ранее явление спонтанного распада в твердом теле одного или двух фотонов падающего света на пару фотонов с другими частотами, зависящими от углов рассеяния, обусловленное нелинейностью поляризуемости связанных электронов среды".

Образование упругих двойников при двойниковании кальцита

Доктор физико-математических наук, профессор Р. И. Гарбер, начальник лаборатории кристаллов Физико-технического института АН УССР, открыл явление образования двойников и их постадийного превращения в устойчивые при механическом двойниковании кристаллов.

"Механические свойства кристаллов, - рассказывает Р. И. Гарбер, - их прочность и пластичность - очень важные свойства - ведь металлы, их сплавы, минералы, многие строительные и другие материалы построены из кристаллов. Под действием приложенных сил кристалл деформируется, изменяются его форма и размеры. После разгрузки упругая деформация полностью исчезает, а пластическая остается. Как правило, упругая деформация очень мала, тогда как пластическая может достигать больших значений. Пластическая деформация кристаллов во многих случаях приводит к образованию двойниковых прослоек. Атомы и молекулы в этих прослойках расположены зеркально атомам и молекулам в основном кристалле.

Образование двойниковых прослоек лучше всего изучать на кристаллах кальцита. Этим занимался ряд известных ученых, в том числе В. И. Вернадский. Изучая механические свойства кальцита в 30-е гг., я обнаружил явление самопроизвольного исчезновения в нем двойниковых прослоек. Его невозможно было отнести к упругости или пластичности кристалла. Прослойка исчезала после разгрузки (упругость), а относительная деформация сдвига в прослойке составляла почти 60% (пластичность). Я назвал явление так: образование упругих двойников. При этом имелось в виду, что образование двойников - это чисто пластический процесс.

Открытие этого явления привлекло внимание многих исследователей и послужило толчком к дальнейшему развитию работ по изучению механических свойств кристаллов. Наиболее важные теоретические исследования явления выполнили академики И. В. Обреимов и И. М. Лифшиц, а также К. В. Владимирский, А. М. Косевич, В. С. Бойко, Л. А. Пастур. Экспериментальные исследования в этой области в настоящее время успешно проводят В. И. Старцев, В. С. Бойко и другие.

Для описания явления используется современная теория дислокации. Полученные результаты позволили обнаружить в ряде металлов, сплавов и неметаллических материалов свойства, связанные с образованием упругих двойников и их превращением в остаточные двойниковые прослойки".

Открытие расширило знания о процессе двойникова-ния кристаллов, позволило объяснить, почему для начала двойшжования требуются малые усилия, показало стадийность процесса "двойникования. На основе открытия автор разработал новый способ термомеханической обработки металлов и сплавов.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 49 с приоритетом от 14 октября 1938 г. в следующей формулировке:

"Обнаружено неизвестное ранее явление упругого двойникования кристаллов, заключающееся в том, что под действием сосредоточенной нагрузки возникает зародыш двойниковой ориентации, который исчезает после снятия нагрузки или превращается в устойчивую прослойку при дальнейшем увеличении действующих, сил".

Осцилляторная зависимость поверхностного сопротивления металла от слабого магнитного поля

В 1960 г. доктору физико-математических наук М. С. Хайкину удалось обнаружить новое физическое явление в области физики твердого тела. Он установил, что осцилляторная, т. е. колебательная, зависимость поверхностного сопротивления металла от магнитного поля обнаруживается при помощи радиоволн сверхвысокой частоты при изучении чистых и совершенных монокристаллов металлов, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Рассматриваемое явление возникает вследствие характерного только для него движения части электронов металла. Эти электроны "летят" внутри металла вдоль его поверхности, как бы прыгая длинными, "настильными", скачками. Отражаясь от поверхности металла при каждом скачке, электроны возвращаются к ней снова под действием магнитного поля, направленного параллельно ей.

Как и всегда при движении элементарных частиц, электроны могут двигаться в металле не куда угодно, а только по некоторым траекториям, различающимся, например, высотой скачка над поверхностью металла. Каждой из таких траекторий соответствует определенный за-пас энергии электрона, это условие квантования движения электрона. Электроны, движущиеся по разным траекториям, оказываются на разных магнитных поверхностных уровнях энергии электронов металла. Переходы электронов с одной траектории движения на другую могут происходить под действием радиоволн сверхвысокой частоты. При этом электроны поглощают энергию, что и обнаруживается в эксперименте.

Аналогией описанного движения электронов может служить полет плоского камня, брошенного почти параллельно поверхности воды и многократно отскакивающего от нее. Надо только представить себе, что в течение некоторого времени движение камня происходит без потерь энергии на трение и каждый последующий скачок в точности повторяет предыдущий. Эта аналогия иллюстрирует одно чрезвычайно важное обстоятельство - позиожность зеркального отражения от неровной и подвижной поверхности, которое происходит так, как если бы отражающая поверхность была гладкой, твердой и неподвижной. Действительно, для электрона поверхность металла испещрена случайно расположенными неровностями, которые не могут быть устранены никакой обработкой вследствие атомной структуры металла. К тому же она находится в непрерывном беспорядочном тепловом движении.

Изучение осцилляции поверхностного сопротивления металла позволяет исследовать магнитные поверхностные квантовые уровни электронов и таким путем изучать характер взаимодействия электронов металла с его поверхностью и влияние различных факторов на это взаимодействие.

Открытие М. С. Хайкина зарегистрировано под № 16 с приоритетом от 30 апреля 1960 г. Формула открытия выглядит так:

"Установлена осцилляторная.. зависимость поверхностного сопротивления металла от слабого магнитного поля. Так, поверхностное сопротивление чистого металлического монокристалла олова (примеси <10^-5) токам частотой порядка <10 ГГц при температуре <10° К и величине магнитного поля ∼ 0,1-5 Э обнаруживает несколько знакопеременных осцилляции производной от поверхностного сопротивления по полю".

Явление осциляций термодинамических и кинетических свойст пленок твердых тел

Академик И. М. Лифшиц (Институт физических проблем имени С. И. Вавилова АН СССР), доктора физико-математических наук В. Н. Луцкий, М. И. Елинсон и В. Б. Сандомирский, кандидат физико-математических наук Ю. Ф, Огрин (Институт радиотехники и электроники АН СССР) и доктор физико-математических наук А. М. Косевич (Физико-технический институт низких температур АН УССР) открыли явление осцилляции термодинамических и кинетических свойств пленок твердых тел.

Ранее полагали, что уменьшение размеров кристаллического твердого тела до сколь угодно малых величин (пока оно еще остается кристаллом) либо не меняет его свойств, либо вызывает плавное, монотонное их изменение. Однако выяснилось, что при уменьшении размеров образца (например, толщины пленок) до величин, сравнимых с длиной волны де Бройля носителей тока (по представлениям квантовой механики, эта волна внутренне присуща всем микрочастицам) происходит резкое изменение зависимости электронных свойств исследуемого объекта от его размеров. Зависимость от толщины пленки удельного сопротивления, магнетосопротивления, теплоемкости, магнитного момента - словом, всех термодинамических и кинетических свойств образца - становится немонотонной, осциллирующей.

"Это новое неизвестное ранее макроскопическое проявление того, что из-за ограниченности поперечного движения электронов в пленке энергия их движения в этом направлении может принимать не любые, а избранные, дискретные значения, - рассказывает В. Н. Луцкий. - В свою очередь, этот факт немедленно приводит к изменению свойств коллектива частиц в пленке по сравнению с его свойствами в массивном кристалле. Наиболее ярко размерные осцилляции проявляются в полуметаллах (типа висмута) и полупроводниках с малой запрещенной зоной.

Открытие выявляет качественно новые возможности исследования фундаментальных свойств твердого тела, главным образом электронного энергетического спектра. Уже получены важные сведения об основных параметрах, характеризующих состояние и поведение носителей заряда в кристаллах. На основе открытия можно создать принципиально новый класс твердотельных электронных приборов. В отличие от приборов, принцип действия которых базируется на управлении кинетическими свойствами носителей заряда, здесь будет осуществляться непосредственное воздействие на энергетический спектр электронов. Другими словами, функционирование новых приборов может быть основано на возможности изменения состояния микрочастиц в пленке, а не только их движения. Особое внимание хотелось бы обратить на возможность создания функциональных микроэлектронных элементов, предназначенных для новых систем переработки информации. К таким элементам можно отнести, например, тоннельную структуру на тонких пленках. Ее вольт-амперная характеристика состоит из отдельных пиков тока, числом и положением которых можно управлять. На одном таком элементе могут работать быстродействующие регистры, счетчики, логические элементы и элементы памяти.

Можно будет также создать элементы оптоэлектронных систем, таких, как пленочный плавно перестраиваемый по частоте лазер для инфракрасного и субмиллиметрового диапазона волн, селективные управляемые фильтры, детекторы и модуляторы электромагнитного излучения и т. д.".

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 182 с приоритетом от 21 мая 1953 г. (теоретическое обоснование) и от 10 декабря 1965 г. (экспериментальное доказательство).

Оно дано в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление осцилляции термодинамических и кинетических свойств - пленок твердых тел, обусловленное изменением электронных квантовых состояний в результате ограничения поперечного движения носителей заряда в пленках твердых тел".

Циклотронный резонанс в металлах

В 1956 г. доктора физико-математических наук М. Я. Азбель (Физико-технический институт АН УССР) и Э. А. Канер (Институт радиофизики и электроники АН УССР) открыли явление циклотронного резонанса в металлах. Они теоретически обосновали уменьшение поверхностного сопротивления чистого металлического монокристалла токам высокой частоты в тот момент, когда их частота равна или кратна частоте обращения электронов металла в приложенном к металлу постояняфм магнитном поле. Это явление наблюдается при циклотронной частоте электронов, значительно превышающей частоту столкновения их с кристаллической решеткой, в чистых монокристаллах при низких температурах.

Открытие циклотронного резонанса имело большое значение для физики металлов - оно способствовало увеличению экспериментальных исследований свойств электронов проводимости металлов. Циклотронный резонанс в металлах стал основой изучения эффективных масс электронов проводимости, размеров поверхностей Ферми, измерения длины свободного пробега и других электронных - характеристик. Циклотронный резонанс в металлах широко используется при исследованиях электронной структуры.

Открытие зарегистрировано под № 45 с приоритетом от 31 января 1956 г. Формула его такова:

"Установлено неизвестное ранее явление циклотронного резонанса, заключающегося в возрастании высокочастотной проводимости металла на частотах, кратных частоте обращения электронов в постоянном магнитном поле, параллельном поверхности металла, и обусловленного многократным синхронным ускорением электронов на участке орбиты, находящемся в скин-слое".

Электромагнитные всплески в проводящей среде

В 1962 г. доктора физико-математических наук М. Я. Азбель (Институт теоретической физики АН СССР), В. Ф. Гантмахер (Институт физики твердого тела АН СССР) и Э. А. Канер (Институт радиотехники и электроники АН СССР) открыли неизвестное ранее явление проникновения электромагнитного поля в проводящую среду на расстояния, значительно превосходящие толщину скин-слоя.

Обычно переменное электромагнитное поле не может проникнуть в глубину металла или другой проводящей среды и локализуется в тонком скин-слое вблизи ее поверхности. Авторы открытия обнаружили, что при определенных условиях переменное электромагнитное поле проникает в маталл на глубину порядка длины свободного пробега электронов, которая может быть в сотни и тысячи раз больше, чем глубина скин-слоя. Перенос электромагнитного поля в глубь металла осуществляется отдельными группами электронов проводимости, каждый из которых, двигаясь в постоянном магнитном поле, излучает поглощенную в скин-слое электромагнитную энергию на тех участках своей траектории в глубине металла, где он движется параллельно его поверхности.

Если достаточно большую группу электронов характеризует один и тот же размер траектории в магнитном поле, то интерференция излучаемых отдельными электронами электромагнитных полей приведет к возникновению в глубине металла пространственно-периодической системы узких всплесков (листков) переменного тока и поля. Расстояние между всплесками определяется параметрами энергетического спектра электронов в металле и величиной магнитного поля, а глубина, на которой они затухают, - длиной свободного пробега электронов. Последнее обстоятельство требует использования для наблюдения всплесков низких температур и очень чистых металлов.

Экспериментальное исследование аномального проникновения электромагнитного поля по всплескам позволяет определить ряд важнейших характеристик энергетического спектра и взаимодействия электронов проводимости в металлах: топологию и форму поверхностей Ферми, средние скорости электронов, анизотропию и температурную зависимость длины свободного пробега и т. д. На основе открытого авторами явления созданы эффективные методы исследования электронов проводимости в металлах. Открытие привело к пересмотру существовавших ранее представлений об экранирующих свойствах проводящей среды по отношению к электромагнитному полю.

Открытие зарегистрировано под № 80 с приоритетом от 24 октября 1962 г. Формула открытия следующая:

"Установлено неизвестное ранее явление проникновения электромагнитного поля в проводящую среду на расстояния, значительно превосходящие толщину скин-слоя, обусловленное переносом этого поля отдельными группами носителей заряда, сформированными магнитным полем".

Явление аномального упорядочения магнитных моментов в кристаллических структурах

Академик Н. В. Агеев, доктор технических наук В. Н. Быков, научный сотрудник С. И. Виноградов, кандидаты физико-математических наук В. С. Головкин и В. А. Левдик (Физико-энергетический институт) открыли неизвестное ранее явление аномального упорядочения магнитных моментов в кристаллических структурах.

К моменту обнаружения данного явления (1958 г.) в физике твердого тела сложилось четкое представление о связях, существующих между магнитной и кристаллической структурами вещества. Согласно ему периоды магнитной и кристаллической решеток обязательно должны либо равняться один другому, либо быть кратными между собой. Теоретический вывод такой зависимости вытекал из фундаментального атомистического представления об идентичности всех параметров атомов одного химического элемента. Этот вывод опирался и на фундаментальное кристаллофизическое представление о том, что возможные в условиях кристаллической решетки различия электронного состояния автомов обязаны регулярно повторяться по всему кристаллу.

На основании расщепления магнитных рефлексов и изменения нейтронодифракционной картины с изменением температуры авторы открытия установили существование у монокристаллического хрома антиферромагнитной структуры с периодом, некратным периоду атомной решетки кристалла. Было обнаружено, что возникновение "такой магнитной структуры сопровождается аномальным поведением большей части физико-механических свойств металла.

Из открытого явления следует, что в кристаллах с некратной магнитной структурой имеет место частичное или полное исчезновение идентичности магнитных параметров у атомов одного и того же элемента. Это значит, что в таких кристаллах атомы имеют настолько плотный спектр-магнитных состояний электронных оболочек, что на длинных, теоретически бесконечных цепочках атомов, образующих кристалл, невозможно найти двух полностью одинаковых атомов.

Открыт принципиально новый вид магнитно-упорядоченного состояния в кристаллах. Некратный вид состояния позднее обнаружен у редкоземельных элементов, в интерметаллических и многих других химических соединениях. Открытие дало начало новому направлению экспериментальных и теоретических исследований неизвестного ранее вида магнетизма. Оно привело к изменению представлений о связях между магнитной и кристаллической структурами вещества и о роли магнитных межатомных взаимодействий за пределами первой координационной сферы.

Появилась возможность создания магнитных структур образцов хрома с наперед заданными магнитными свойствами и температурными границами существования. Это открывает перспективы разработке путей повышения пластичности хрома и его аналогов - молибдена и вольфрама, а также созданию новых магнитных материалов для нужд радиоэлектроники.

Открытие зарегистрировано под № 191 с приоритетом от 21 ноября 1958 г. Формула его такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление аномального упорядочения магнитных моментов в кристаллических структурах, заключающееся в том, что в некоторых кристаллах, например хрома, происходит возникновение магнитной структуры, некратной структуре кристаллической основы, приводящее к частичному или полному исчезновению в решетке кристалла идентичности магнитных параметров у атомов одного элемента и к появлению аномалий физических свойств кристалла".