Мудрость эксперимента - Борис Иванович Смагин

Кроме метрологов, рождение одного из ярких эффектов сверхпроводимости возбудило повышенный интерес у конструкторов электронно-вычислительных машин.

Для них сверхпроводимость — истинная находка. Мгновенное появление эффекта и столь же быстрое его исчезновение по велению внешнего магнитного поля — не что иное, как возможность некой системы пребывать в двух взаимоисключающих положениях — краеугольный камень всей кибернетики. На принципе «да» и «нет» работают элементы всех «думающих» машин. Сначала инженеры использовали радиолампы, потом транзисторы, ферриты, сложные полупроводниковые элементы — словом, различные модификации твердого тела, которое служит кибернетикам истинным кладезем чудес.

Сверхпроводимость указала еще один путь — криогенные ячейки. Причем эффект Джозефсона привлек внимание конструкторов ЭВМ не только тем, что таким способом можно дополнить комплект миниатюрных элементов вычислительной техники, но и уникальной умеренностью в потреблении энергии.

На одну операцию в ячейке ЭВМ, использующих барьеры Джозефсона (когда такие машины появятся, конечно), уйдет всего лишь 10-19 джоуля, что в десять миллионов раз меньше энергозатрат самых экономичных из существующих сейчас микроэлементов вычислительной техники.

Совсем не «между прочим» следует сказать, что этот путь открывает, возможно, перспективу решения задачи, по поводу которой столь давно ведутся ожесточенные споры. Речь идет о «думающих машинах», которые в какой-то степени действительно научатся «мыслить».

Может быть, именно сверхпроводимость поможет преодолеть одно из серьезных препятствий на пути к такой ЭВМ — большое энергопотребление существующих машин и, как следствие, их разогрев. Не преодолев его, нельзя создать сверхкомпактную машину, которая по своей сложности приближалась бы к человеческому устройству.

Ячейки Джозефсона — так думают инженеры — позволят это сделать.

Во всяком случае, для машин самообучающихся, то есть достаточно объемных, ячейки Джозефсона — золотая мечта конструкторов, пока что единственный просвет в чаще технологических трудностей.

За короткий период своего существования эффект Джозефсона прошел путь от своего рода оригинальной физической игрушки, в числе многих других порожденных сверхпроводимостью, до технических устройств, будущее которых рисуется теперь в самых радужных тонах. Харьковские эксперименты, которые должны были лишь подтвердить выкладки английского ученого, оказались гораздо богаче, вызвав к жизни целую группу измерительных приборов, методик и технологических приемов. Недаром, как снежный ком, растет количество публикаций, научных статей и обзоров, и во многих лабораториях мира самым придирчивым образом изучают теоретические, экспериментальные и прикладные аспекты явления, которые при всей своей оригинальности казались вначале лишь простым подтверждением теории сверхпроводимости.

До недавнего времени для ученых было привычным разделение физики твердого тела на две совершенно обособленные части.

Упругость, пластичность, прочность, твердость, жаростойкость, тугоплавкость, восприятие звуковых (акустических) колебаний — словом, все, связанное с ответом твердого тела на внешние механические и тепловые воздействия, определяются основами и особенностями строения его кристаллической решетки.

Электрические, магнитные и оптические свойства вещества связаны со структурами более тонкого порядка. Их механизмы изощреннее, так как зависят они от «поведения» электронов.

Исходя из этого непреложного факта, исследователи и выбирают аппаратуру, а также методы регистрации различного рода эффектов и параметров твердого тела. Скажем, для измерения модуля упругости требуется одно оснащение, а когда речь идет о магнитном поле — другое.

Разграничения были твердыми, обоснованными и не вызывали сомнений, пока не вмешался в дело непоседливый эксперимент.

Физикам давно известно явление парамагнитного резонанса, открытое советским ученым Е. К. Завойским. И давно они нашли ему практическое применение. Избирательное поглощение некоторыми твердыми телами радиоволн связано с особенностью строения электрических и магнитных полей их атомов, то есть отражает «быт» электронов. Тем самым открывается возможность навести кое-какие справки об их внутреннем мире, что, в свою очередь, может прояснить различные стороны «поведения» самого твердого тела.

В той самой Казани, где когда-то был открыт парамагнитный резонанс, ученые решили по аналогии использовать для исследования вещества новый тип разведчиков. Частота колебаний была та же, что у электромагнитных, привычных для парамагнитного резонанса. Но природа импульсов была совсем иная — акустическая. Предполагалось, что такие импульсы могут лишь поколебать слегка кристаллическую решетку; на самом же деле, как выяснилось, они способны вызвать явление, подобное парамагнитному резонансу. Звук ослабевал так, как будто на его пути появлялись своего рода электромагнитные ухабы. Откуда? — удивились ученые. Упругие волны — слишком грубая материя для взаимодействия с электронными системами металла, а как известно, только в них истоки магнитных особенностей вещества, лишь они могут резонансно поглощать волны, но отнюдь не упругие.

В данном случае отгадка была достаточно оригинальной, хотя и находилась в основном русле существовавшей теории. Просто надо было применить ее шире, посмотреть на вопрос глубже.

Конечно, акустические волны сами по себе не волнуют электрическое море, не вызывают на его поверхности ни малейшей ряби. Зато в такт с колебаниями упругих импульсов сотрясается сама кристаллическая решетка. Значит, в колебаниях участвуют составляющие ее ионы — островки положительного электричества в море отрицательных электронов. Эти колебания вызывают к жизни переменные электрические и магнитные поля, которые таким образом появляются в непосредственной близости от электронов. Их-то и поглощают электроны по всем законам привычного для них парамагнитного резонанса. Запущенные в микромир макроснаряды преобразуются и доходят до цели.

Таким образом, оказались взаимосвязанными кристаллическая решетка твердого тела и ее электрическое содержимое, пресловутый «электронный газ». Слон и Моська попали в одну упряжку.

Подобный же вывод сделали ученые далекого от Казани города Харькова, занимавшиеся совсем другими проблемами, основанными на свойствах кристаллической решетки. Они изучали поведение вещества при сверхнизких температурах, и столь же неожиданно наткнулись на связь упругих свойств твердого тела с поведением его электронов.

Эксперименты физиков Казани отличались внушительностью аппаратуры. Наблюдение парамагнитного резонанса требует больших современных установок. Не менее солидно выглядят ультразвуковые генераторы.

Харьковские ученые провели очень тонкие эксперименты, где поистине пуританская строгость приборного оформления соединялась с блестящей выдумкой, когда смысл непонятного явления и его причины вдруг прояснились до абсолютного тривиального уровня.

Сотрудники Харьковского физико-технического института низких температур подвергли также тщательному анализу реакцию охлажденных металлов на внешние нагрузки. Оказалось, что по мере приближения к абсолютному нулю пластичность металлов увеличивается. Никто из физиков, разумеется не застыл от удивления перед этим фактом. Наблюдение казалось вполне очевидным. Чем ниже температура, тем меньше препятствий возникает на пути движущихся под действием внешних сил слоев вещества, и становится тело более пластичным.

Неочевидность сказалась при очень низких температурах. Пластичность вдруг