Неоткрытые миры

Двадцатый век принёс расцвет физики твёрдых тел. Ключевым моментом стал 1912 год, когда в Мюнхене на заседании Баварской академии наук был заслушан доклад о рассеянии рентгеновских лучей на кристаллах. Первая, теоретическая, часть доклада была сделана Максом фон Лауэ из Цюриха, а во второй части его ассистенты Фридрих Вальтер и Пауль Книппинг продемонстрировали результаты эксперимента, подтверждающего теорию. Авторы доклада доказали, что рентгеновские лучи имеют волновую природу, а кристаллы обладают периодической атомной структурой. Через три года фон Лауз получил за открытие нового, очень плодотворного метода исследования кристаллов Нобелевскую премию.

— Всё-таки мне не очень понятно, что такое физика твёрдого тела, — покачала головой Галатея. — Кремниевые ножи, кристаллы, рентгеновские лучи… как это всё объединяется?

— Физика твёрдого тела пытается установить связь между физическими свойствами твёрдых тел, которые нас окружают, и их атомным строением, то есть связать макромир и микромир. Если мы хорошо изучим эти связи, то сможем создавать материалы с нужными нам свойствами — например сверхчистые кристаллы кремния и германия для полупроводников. Именно на примере кристаллов удобно изучать связь между крошечными атомами и нашим макромиром, потому что многократная повторяемость атомной структуры кристалла позволяет получить наглядное макроскопическое отображение этой структуры, например при облучении её рентгеновскими лучами.

Такова двойственная природа физики твёрдого тела. Поэтому в неё вносят важный вклад как квантовые механики, которые рассчитывают квантовое поведение атомов и электронов в твёрдых телах, так и экспериментаторы, которые изучают макроскопическое поведение, например сверхпроводящих образцов. Именно сверхпроводимость является одним из самых перспективных направлений физики твёрдого тела. Если бы были получены высокотемпературные сверхпроводники, работающие в условиях комнатных температур, то это стало бы новой технологической революцией. Экспериментаторы ищут такие сверхпроводники, но практически наугад, потому что хорошей квантово-механической теории высокотемпературных сверхпроводников ещё не создано.

В жилах нашей цивилизации течёт электрическая кровь, поэтому проводники, которые передают электрическую энергию на большие расстояния, и полупроводники, лежащие в основе всей электроники, играют колоссальную роль в экономике планеты. Сейчас специалисты работают над созданием триода на основе графена.

Не менее важным достижением физики твёрдого тела стало создание лазеров. Но об этом мы поговорим в следующей истории.

Примечания для любопытных

Сэр Андрей Константинович Гейм (р. 1958) — советский, нидерландский и британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследование графена. Родился в г. Сочи. Член Лондонского королевского общества, рыцарь-бакалавр по указу королевы Елизаветы II.

Сэр Константин Сергеевич Новосёлов (р. 1974) — российский и британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследование графена. Родился в г. Нижний Тагил. Член Лондонского королевского общества, рыцарь-бакалавр по указу королевы Елизаветы II. Его работы процитированы более ста тысяч раз.

Графен — первый известный истинно двумерный кристалл. Обладает высокой проводимостью, теплопроводностью и прочностью. Позже были открыты двумерные кристаллы кремния (силицен), фосфора (фосфорен), германия (германен).

Макс фон Лауэ (1879–1960) — немецкий физик. Лауреат Нобелевской премии за 1914 год «за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах».

Сказка о лазерах и киберах

На очень разных и далёких друг от друга континентах — в Северной Америке и в Австралии — примерно в одно и тоже время родилось двое мальчиков, которым было суждено встретиться в Европе спустя полвека и при весьма необычных обстоятельствах. В то время в Европе шла кровопролитная Первая мировая война, но отзвуки её не доносились до тихих уголков Америки и Австралии. Американца звали Чарльз Таунс, его юность прошла в спокойной благополучной обстановке. До двадцати лет он рос и учился в городке Гринвилл в Южной Каролине, где живописные горы, заросшие густым лесом, переходят в равнину с озерами, фермами и провинциальными городами.

Австралийца звали Александр. Он родился в семье российских революционеров Прохоровых, бежавших в Австралию из сибирской ссылки. Он был младшим в семье — у него было три старших сестры, которые тоже родились на севере Австралии, в небольшом городке Атертон, где обосновалась русская колония.

В 1923 году семья Прохоровых вернулась в Россию. Началась нелёгкая пора привыкания после тропической Австралии к новому суровому климату и непростым условиям жизни в послереволюционной России.