Пожалуй, одна из самых впечатляющих находок в стране абсолютного нуля — квазичастицы. Как сказать о них? О частицах — протонах, нейтронах, электронах и так далее и так далее (число их всё время увеличивается!) — рассказать нетрудно. Они есть, они существуют. Каждая имеет свое лицо, свою биографию, у каждой есть паспорт, где указаны и место жительства, и род занятий.
Но то, что учёные назвали компромиссным словом «квазичастицы», не частицы в обычном смысле. Это скорее явления, но явления очень специфические. Да, они, не настоящие частицы, оказывают влияние на окружающий мир, как настоящие. Как самые настоящие частицы, они участвуют в его жизни, взаимодействуют друг с другом. Они были названы квазичастицами, от латинского слова, означающего «якобы», «как бы».
Без этих чудо-частиц учёные не в состоянии справиться с задачей объяснения сложных законов, царящих в микромире, управляющих явлениями, протекающими в обычных телах.
И среди них одна из интереснейших — полярон. Эта квазичастица, обладающая рядом удивительных свойств, родилась в 1946 году под пером киевского физика-теоретика профессора С. И. Пекара. Теория поляронов разработана совместно Л. Д. Ландау и С. И. Пекаром.
Как за человеком в солнечный день движется его тень, так за электроном внутри кристаллической решётки движется облако поляризации, образованное его электрическим зарядом.
Встречные атомы, настигнутые облаком, поляризуются им, как бы связываются с электронами невидимыми нитями. И электрону эта связь с окружающими его атомами не обходится даром: он словно становится тяжелее — его масса увеличивается в шесть раз. Эту комбинацию электрона с окружающим его состоянием поляризации и назвали поляроном.
В теории такая комбинация электрона с его облаком поляризации казалась вполне ясной, обоснованной, реально существующей. Но как эту частицу-явление обнаружить, какими средствами подтвердить её существование? Без доказательства теория всегда остаётся под сомнением.
Полярон стал предметом пристального внимания физиков. Появились десятки исследований, посвящённых этой псевдочастице. Но в большинстве это были теоретические изыскания, так как ни одному физику-экспериментатору не удалось непосредственно наблюдать полярон в движении.
Иногда эта затея казалась безнадёжной. Стоит ли гоняться за тенью, призраком?
Но ленинградские учёные проявили упрямство. Они решили оттолкнуться от уже известных вещей. Итак, масса полярона в шесть раз больше массы обычного электрона. Если можно было бы непосредственно взвесить тот и другой, мы получили бы самое лучшее доказательство правильности теории. Но облако взвесить нельзя. Тогда, решили физики, надо проделать такой опыт, в котором масса электрона и полярона проявилась бы косвенным путём. Такой опыт вскоре был проделан.
Если поместить крупинки металла в сильное магнитное поле и воздействовать на них радиоволнами, электроны в металле начнут двигаться по окружности, черпая у радиоволн энергию. Электроны будут «танцевать «по кругу в определённом ритме. А если на месте электронов окажутся поляроны? Они тяжелее и, очевидно, «затанцуют» по-другому.
Такая мысль и пришла в голову учёным. Они решили испытать полярон в аналогичном опыте.
Но прежде чем приступить к этому эксперименту, надо было устранить одно мешающее обстоятельство — тепловое хаотическое движение атомов кристалла. Ведь оно разрушает поляронное облако, сопровождающее электрон. Избавиться от этого препятствия помогла техника низких температур. Когда вещество было сильно охлаждено, удалось осуществить задуманный опыт и впервые обнаружить несомненное проявление движущегося полярона. Вот как это случилось.
На охоту за поляроном вышел доктор физико-математических наук Н. М. Рейнов в сопровождении молодых физиков: теоретика А. И. Губанова и экспериментатора Н.И. Кривко.
В качестве поля для охоты они избрали хорошо изученный кристалл закиси меди, а в качестве оружия — мощную технику сантиметровых радиоволн и огромных магнитных полей. Для того чтобы облегчить охоту, они решили вести её в сверхарктических условиях, погрузив кристалл закиси меди в жидкий гелий.
Можно представить себе, с каким волнением учёные приступили к опыту. Кристалл закиси меди погружён в криостат. Криостат заполнен жидким гелием. Движения атомов в кристалле ослабевают, они как бы замерзают, погружаются в зимнюю спячку. Кривко включает генератор радиоволн. Радиоволны легко проникают сквозь кристалл, практически не поглощаясь им. Затем он включает ток, проходящий через обмотку огромного электромагнита, и медленно увеличивает его силу. Магнитное поле постепенно увеличивается до 1000, 2000, 3000 эрстед…
Исследователи внимательно следят за приборами, готовясь уловить момент, когда мощность радиоволн резко упадёт. Это будет значить, что электроны в кристалле затанцевали, отобрав энергию, нужную для своего танца, у радиоволн.
Напряжённость магнитного поля достигла уже 3500 эрстед, но поглощения радиоволн в кристалле всё ещё не наблюдается.
Если бы при этом присутствовал посторонний наблюдатель, знающий лишь, что поглощение, связанное с танцем электронов, должно наблюдаться при поле около 2300 эрстед, он пришёл бы в волнение. Но учёные спокойны. Они вновь уменьшают ток в обмотке электромагнита, и магнитное поле убывает до нуля. Это был контрольный опыт: при температуре 4,2° выше абсолютного нуля в закиси меди слишком мало свободных электронов, чтобы можно было наблюдать поглощаемую ими энергию. Их танец не заметен.
Учёные зажигают яркую электрическую лампу и при помощи системы линз направляют её свет сквозь стенки стеклянных сосудов и сквозь жидкий гелий на кристалл закиси меди. Лучи света выбивают из атомов кристалла электроны, которые начинают беспорядочно двигаться внутри него. Теория предсказывает, что при этом должны возникать и таинственные поляроны.
Разговоры стихают. Все настораживаются. Вновь плавно возрастает сила тока в обмотке электромагнита, и вдруг… Когда поле достигает 2350 эрстед, приборы показывают сильное поглощение радиоволн.
Губанов быстро проводит расчёт. Ему ясно, что это заплясали электроны, выбиваемые светом.
Ток в обмотке электромагнита продолжает возрастать. Теперь волнуются и учёные. Спокойны лишь приборы. Стрелка амперметра — указателя силы тока — медленно движется вправо. Сила тока непрерывно увеличивается. Но стрелка прибора, показывающего поглощение радиоволн, всё ещё неподвижна — поглощение прекратилось.
Медленно идёт время, медленно возрастает магнитное поле — 4000 эрстед, 5000… 10 000. Почему же нет поглощения? 15 000 эрстед… 17… 18… 19…
Внимание! Теория говорит: ожидай здесь! Если в закиси меди есть поляроны, поглощение радиоволн близко. 19 500 эрстед… Победа! Поглощение радиоволн возросло, плавно увеличилось и, достигнув максимума при 19 600 эрстед, вновь уменьшилось.
Так был впервые обнаружен подвижный полярон с массой, в 6 раз превышающей массу электрона. Но теория требовала продолжения опыта. И действительно, при 21 600 эрстед был обнаружен ещё один максимум поглощения радиоволн, соответствующий полярону, масса которого не в 6, а в 6,6 раза больше массы электрона.
Хотя учёные и дальше увеличивали силу тока, достигнув напряжённости магнитного поля огромной величины — в 30 000 эрстед, новых максимумов поглощения радиоволн не возникало.
Два максимума поглощения, наблюдавшиеся во время опыта, были вызваны двумя типами поляронов. Один из них был порождён электронами, другой, как это ни парадоксально, — отсутствием электронов, или, как говорят учёные, дырками. В соответствии с предсказанием теории массы обоих типов поляронов несколько различались.
Так, в Физико-техническом институте, в Ленинграде, в 1959 году впервые наблюдался движущийся полярон — квазичастица, дотоле скрывавшаяся от физиков-экспериментаторов.
Ещё раньше там же несколько иным способом, но тоже с помощью тонкого и сложного эксперимента в условиях низких температур изучались свойства другой, не менеё своеобразной квазичастицы.
Речь идёт об экситоне, свойства которого предсказал видный советский физик Я. И. Френкель. Он предположил и подтвердил теоретическими расчётами, что атомы и ионы в кристаллической решётке в некоторых случаях, поглощая свет, переходят в особое возбуждённое состояние. Поглотив свет, атом, подобно заряженному ружью или натянутому луку, может длительное время сохранять избыточную энергию. Более того, строй атомов, образующих решётку кристалла, может по цепочке передавать друг другу эту энергию подобно тому, как если бы по шеренге солдат передавалось заряженное ружье. Так внутри кристалла от одного узла решётки к другому передаётся избыточный запас энергии — то, что было названо экситоном.