ОТКРЫТИЕ ЭКСИТ
В 1931 г. член-корреспондент АН СССР Яков Ильич Френкель теоретически предсказал весьма интересное физическое явление. Решая задачу о возбуждении атомов в идеальном кристалле, он показал, что возбужденное состояние, возникшее у какого-либо атома такого кристалла, не может быть локализовано там, где находится этот атом, а непременно должно перемещаться по кристаллу в виде своеобразной волны возбуждения. Френкель назвал эту волну экситоном.
Все дело в том, что, как показывают расчеты, энергия кристалла не изменится, если в таком же возбужденном состоянии окажется не первоначальный атом, возбужденный квантом поглощенного света, а любой другой атом кристалла. Состояния, в которых один из атомов кристалла оказывается возбужденным, физически неразличимы. Поэтому энергия возбуждения будет переходить от атома к атому подобно тому, как, согласно квантовой теории металлов, переходит от атома к атому свободный электрон, оказавшийся в зоне проводимости какого-нибудь металла. Ведь в действительности этот электрон не отрывается от атома и атом не ионизуется — свобода электрона состоит в том, что он может переходить от атома к атому без затраты какой-либо энергии ввиду перекрытия электронных оболочек соседних атомов.
Таким же квантовым эффектом является и передача возбужденного состояния в кристалле от атома к атому, составляющая суть движения экситона. Энергия возбуждения будет путешествовать от атома к атому до тех пор, пока один из получивших ее атомов не перейдет в нормальное невозбужденное состояние, испустив полученный им квант. Важно отметить, что перемещение энергии по кристаллу происходит без участия каких-либо прямых носителей, например, электронов или фотонов. Его даже нельзя рассматривать как результат испускания кванта одним атомом и поглощения его другим атомом. Энергия передается здесь особым способом, она переходит от возбужденного атома к соседнему невозбужденному и далее подобно волне возбуждения. Этот особый механизм передачи энергии в кристалле был назван миграцией энергии. Благодаря миграции экситонов поглощение и испускание света происходит в различных атомах, разделенных друг от друга расстоянием, намного превосходящим период кристаллической решетки. Поэтому такое свечение должно быть присуще только телам с кристаллической структурой.
Почти 20 лет никто не вспоминал об экситонах. Сам Я. И. Френкель к этому времени уже умер. Но вот в 1951 г. советские физики В. П. Жузе и С. М. Рывкин показали, что передача энергии поглощенного света фотоэлектронам в кристаллах закиси меди Cu2O происходит так, как если бы в ней участвовали экситоны. В следующем году академик АН УССР С. И. Пекар показал, что спектральный состав света, поглощаемого экситонами, должен быть подобен по своему характеру спектру атома водорода. Этот спектр и был обнаружен членом-корреспондентом АН СССР Е. Ф. Гроссом путем весьма тонких оптических исследований. Оказалось, что он маскируется полосой основного (так называемого фундаментального) поглощения света в кристалле, а интенсивность поглощения света экситонами весьма невелика. Потребовалось немало ухищрений (например, охлаждение кристалла до T=−200 °C), прежде чем удалось обнаружить спектральную серию поглощения света экситонами. Помимо Cu2O Е. Ф. Гросс обнаружил линии экситонного поглощения света также и у кристаллов сернистого кадмия.
Опыты Е. Ф. Гросса являются прямым экспериментальным доказательством существования экситонов. Они позволяют определять энергию, необходимую для образования экситонов, а также эффективную массу электронов в полупроводниковых кристаллах. Все это имеет весьма важное значение для развития наших представлений о природе кристаллов и разыгрывающихся в них процессах поглощения, передачи и излучения энергии.
Так советские физики вписали новую блестящую главу в историю физики твердого тела.
ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
В 1912 г. русский физик В. К. Аркадьев обнаружил странное явление. Пропуская пучок электромагнитных волн сквозь железные проволочки, он зарегистрировал зависимость поглощения этих волн от частоты. При некоторых частотах электромагнитные волны как бы избирательно поглощались в проволочках, образуя, по словам В. К. Аркадьева, «магнитные спектры». Это поглощение сопровождалось изменением намагничивания проволочек. Однако экспериментальная техника того времени позволяла получить лишь грубое качественное подтверждение таких эффектов, а теория была бессильна их объяснить.
В 1923 г. советский физик Я. Г. Дорфман, анализируя работы В. К. Аркадьева, предсказал возможность существования магнитного резонанса — избирательного поглощения коротковолновых радиоволн в веществе.
Первым, кто открыл парамагнитный резонанс, был академик Евгений Константинович Завойский. Это открытие принадлежит к числу крупнейших достижений атомной физики.
В парамагнитном — веществе атомы обладают неспаренными электронными спинами или некомпенсированными орбитальными магнитными моментами, поэтому суммарный магнитный момент таких атомов не равен нулю. Иными словаки, грубо говоря, атомы парамагнитных веществ являются маленькими магнитиками. Если такое вещество поместить в сильное постоянное магнитное поле, то под его влиянием элементарные атомные магнитики, первоначально расположенные как угодно, будут ориентироваться по направлению приложенного к ним поля. Но непрерывное движение электронов делает атом как бы волчком, поэтому магнитный момент каждого атома будет подобно оси волчка совершать прецессию вокруг направления силовых линий постоянного магнитного поля. Это известная из курса атомной физики Ларморовская прецессия. Если теперь включить второе магнитное поле — слабое переменное (или вращающееся) магнитное поле, перпендикулярное постоянному полю, то на каждый атомный магнитик будет действовать вторая сила, стремящаяся повернуть атомные магнитики и расположить их параллельно плоскости вращения переменного поля. Если частота переменного поля не будет совпадать с частотой собственного вращения атомного магнитного момента вокруг силовых линий постоянного поля, то вызываемые переменным полем отклонения будут в разные моменты времени взаимнопротивоположными, так что в среднем влияние этого поля будет равно нулю.
Совершенно иная картина возникает тогда, когда обе частоты совпадают. При этом атомный магнитик все время будет отклоняться в направлении плоскости вращения переменного поля, удаляясь от положения устойчивого равновесия и увеличивая энергию атома. Эту дополнительную энергию атомы заимствуют у переменного магнитного поля.
Так как атомы парамагнитного вещества постоянно взаимодействуют друг с другом, энергия, приобретенная одним из них, быстро передается соседним атомам и идет на увеличение энергий теплового движения, нагревая парамагнитик.
С квантовой точки зрения парамагнитный резонанс объясняется возникновением квантовых переходов в атомах под влиянием переменного магнитного поля. Такие переходы возможны лишь при условии, что энергия квантов электромагнитного поля совпадает с разностью энергий двух магнитных состояний атома. При напряженности постоянного поля порядка 10 000 эрстед резонанс наблюдается на электромагнитных волнах сантиметрового диапазона, применяемых обычно в радиолокационных устройствах.
В опытах академика Е. К. Завойского частота переменного магнитного поля оставалась неизменной (она задавалась генератором). Изменялась же напряженность постоянного магнитного поля. Так как (постоянное поле создавалось электромагнитом, эти изменения легко осуществлялись при помощи реостата. Меняя величину напряженности постоянного поля, мы автоматически изменяем частоту обращения атомных магнитиков вокруг силовых линий этого поля. В момент совпадения обоих частот возникает резонансное поглощение, регистрируемое осциллографом или гальванометром.
Частота обращения атомных магнитиков вокруг силовых линий постоянного поля зависит также и от природы атома. Кроме того, точно такой же эффект наблюдается и в молекулах. Это позволяет воспользоваться методом парамагнитного резонанса для исследования структуры и химического состава различных веществ.
Парамагнитный резонанс обладает необычайной чувствительностью, позволяя регистрировать уровни энергии, совершенно недоступные для оптических методов. Так как обычно химические активные центры (радикалы), активизирующие течение многих реакций, имеют собственные магнитные моменты, парамагнитный резонанс позволяет легко обнаруживать возникновение радикалов в ходе сложных химических реакций и определять их природу. В последние годы парамагнитный резонанс все шире применяется в биологии для анализа тонких деталей биохимических реакций, протекающих в живых организмах.
Академик Е. К. Завойский открыл также и аналогичное по природе явление ферромагнитного резонанса, теория которого еще в 1935 г. была развита академиком Л. Д. Ландау и членом-корреспондентом АН СССР Е. М. Лифшицем.