Безумные идеи

Такая мысль и пришла в голову ученым. 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 нарушает 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.

Подтверждения надо добыть

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 ее в сверхарктических условиях, погрузив кристалл закиси меди в жидкий гелий. Можно представить себе, с каким волнением ученые приступили к опыту. Кристалл закиси меди погружен в специальный прибор – 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 упадет. Это будет значить, что электроны в кристалле затанцевали, отобрав энергию, нужную для своего танца, у радиоволн.

Напряженность магнитного поля достигла уже 3500 эрстед, но поглощения радиоволн в кристалле все еще не наблюдается.

Если бы при этом присутствовал посторонний наблюдатель, знающий лишь, что поглощение, связанное с танцем электронов, должно наблюдаться при поле около 2500 эрстед, он пришел бы в волнение. Но ученые спокойны. Они вновь уменьшают ток в обмотке электромагнита, и магнитное поле убывает до нуля. Это был контрольный опыт: при температуре 4,2 градуса выше абсолютного нуля в закиси меди слишком мало свободных электронов, чтобы можно было наблюдать поглощаемую ими энергию, чтобы их танец стал заметным.

Ученые зажигают яркую электрическую лампу и при помощи системы линз направляют ее 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 ток в обмотке электромагнита, и вдруг... Когда поле достигает 2350 эрстед, приборы показывают сильное поглощение радиоволн.

Губанов быстро проводит расчет. Ему ясно, что это заплясали электроны, выбиваемые светом.

Ток в обмотке электромагнита продолжает возрастать. Теперь волнуются и ученые. Спокойны лишь приборы. Стрелка амперметра – указателя тока – медленно движется вправо. Ток непрерывно увеличивается. Но стрелка прибора, показывающего поглощение радиоволн, все еще неподвижна – поглощение прекратилось.

Медленно идет время, медленно возрастает магнитное поле – 4000 эрстед, 5000... 10 000. Почему же нет поглощения? 15000 эрстед... 17... 18... 19...

Внимание! Теория говорит: ожидай здесь! Если в закиси меди есть поляроны – поглощение близко. 19500 эрстед... Победа! Поглощение радиоволн заметно возросло, плавно увеличилось и, достигнув максимума при 19600 эрстед, вновь уменьшилось.

Так был впервые обнаружен подвижный полярон с массой, в шесть раз превышающей массу электрона. Но теория требовала продолжения опыта. И действительно, при 21600 эрстед был обнаружен еще один максимум поглощения, соответствующий полярону, масса которого не в 6, а в 6,6 раза больше массы электрона.

Хотя ученые и дальше увеличивали силу тока, достигнув напряженности магнитного поля огромной величины – в 30 000 эрстед, больше максимумов поглощения не появлялось.

Два максимума поглощения, наблюдавшиеся во время опыта, были вызваны двумя типами поляронов. Один из них был порожден электронами, другой, как это ни парадоксально, отсутствием электронов или, как говорят ученые, – 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 – не существующая на самом деле частица, дотоле скрывавшаяся от физиков-экспериментаторов. Еще раньше там же, несколько иным способом, но тоже с помощью тонкого и сложного эксперимента в условиях низких температур изучались свойства другой, не менее своеобразной псевдочастицы.