Vật lý Liên Xô được tạo ra như thế nào

4

Vật lý Liên Xô được tạo ra như thế nào

Chúng tôi tiếp tục xuất bản hồi ký của Anh hùng Lao động xã hội chủ nghĩa, Viện sĩ I.K. Kikon, khoa học số 10.

Vào cuối những năm 30, Viện sĩ hàn lâm Abram Fedorovich Ioffe đã đặt ra một bài toán mới cho nhân viên của mình: nghiên cứu một loại chất có tính chất điện đặc biệt - chất bán dẫn. Như bạn đã biết, chất bán dẫn là những chất có độ dẫn điện quá thấp để được coi là kim loại nhưng lại quá nhỏ để được phân loại là chất điện môi.

Vào thời điểm đó, chất bán dẫn chưa được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, Ioffe, bằng trực giác hiểu rằng trong tương lai chúng sẽ có tầm quan trọng thực tiễn to lớn, nên ngay từ đầu đã chú ý nhiều đến việc nghiên cứu các tính chất của chúng. Và những nghiên cứu này không hề dễ dàng. Và đây là lý do tại sao. Các mẫu khác nhau có cùng thành phần hóa học bán dẫn có đặc tính vật lý hoàn toàn khác nhau. Ví dụ, đối với các mẫu oxit dạng đồng (Cu₂O) khác nhau, độ dẫn điện hóa ra là khác nhau, cũng như sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào nhiệt độ. Các mẫu thu được bằng các phương pháp khác nhau có đặc tính như chất điện môi, số khác có đặc tính dẫn điện. Rõ ràng là rất khó để xác định bất kỳ khuôn mẫu chung nào khi xem xét bảng các chất “thất thường”. Và điều này là do thực tế là, hóa ra, các tính chất của chất bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào lượng tạp chất rất nhỏ có trong các mẫu. Ví dụ, nếu trong một mẫu oxit dạng đồng có nhiều phần trăm nguyên tử oxy hơn trong oxit dạng đồng “tinh khiết” (nghĩa là có trạng thái hóa học chính xác của đồng và oxy), thì nó hoạt động như một chất dẫn điện, mặc dù oxit dạng đồng nguyên chất là một chất điện môi.

Theo một nghĩa nào đó, đặc điểm này của chất bán dẫn đã xác định trước hướng nghiên cứu. Trước hết, cần phải xác định các tính chất của chất bán dẫn phụ thuộc như thế nào vào lượng tạp chất mà chúng chứa. Và để làm được điều này, cần phải có những mẫu có thành phần hóa học và lượng tạp chất được biết chính xác.

Boris Vasilievich Kurchatov (anh trai của I.V. Kurchatov) đã tham gia rất tích cực vào những công việc này. Ông đã tìm ra cách thu được các mẫu oxit dạng đồng với một lượng oxy dư thừa cho trước. Sau khi tạo ra một số mẫu như vậy, ông đã nghiên cứu độ dẫn điện của oxit dạng đồng thay đổi như thế nào tùy thuộc vào sự kết hợp của oxy. Hóa ra độ dẫn điện tăng mạnh khi lượng tạp chất tăng lên. Công trình cổ điển này bắt đầu việc tạo ra chất bán dẫn với một đặc tính nhất định bằng cách đưa vào một lượng tạp chất cụ thể nhất định. Bây giờ họ tìm thấy những ứng dụng thực tế to lớn.

Sau khi Abram Fedorovich Ioffe chuyển sự chú ý của chúng tôi sang chất bán dẫn, tôi quyết định nghiên cứu cái gọi là hiệu ứng quang học bên trong. Hiện tượng này là dưới tác dụng của ánh sáng, các tính chất electron bổ sung xuất hiện trong chất bán dẫn và độ dẫn điện của mẫu tăng lên. Tôi muốn tìm hiểu xem liệu những electron bổ sung này có cùng độ linh động như các electron tối (tức là các electron tự do) hay không.

5

ny electron có trong mẫu không được chiếu sáng). Và có thể thu được đặc tính như độ linh động của điện tử bằng cách đo hiệu suất Hall và độ dẫn điện của mẫu. Vì vậy, người ta quyết định sử dụng hiệu quả này trong chất bán dẫn. (Hãy để tôi nhắc bạn rằng hiệu ứng Hall là nếu bạn đặt một mẫu có dòng điện chạy trong từ trường, thì giữa các điểm của mẫu nằm trên đường thẳng vuông góc với hướng của trường và hướng của dòng điện, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế - Hall emf.

Khi bắt đầu nghiên cứu, chúng tôi gặp phải một hiện tượng quốc gia khiến việc thực hiện các phép đo trở nên khó khăn. Thiết kế thí nghiệm của thí nghiệm gần giống như trong Hình 1. Và chúng tôi ngạc nhiên phát hiện ra rằng khi mẫu được chiếu sáng trong từ trường, ngay cả khi không có dòng điện chạy qua mẫu, thiết bị ghi đã phát hiện ra sự hiện diện của hiệu điện thế giữa các điểm A và A’, tại đó chúng tôi sẽ đo e. d.s. Halla. Để đo “ròng” e. d.s. Halla, cần phải bằng cách nào đó xác định được tác dụng phụ này. Và chúng tôi sẽ cài đặt nó. Hóa ra là nếu tấm oxit đồng mà chúng tôi thực hiện phép đo được chiếu sáng không phải bằng màu trắng mà bằng ánh sáng đỏ (và bản thân oxit đồng là một tinh thể màu đỏ), thì tác dụng phụ sẽ biến mất và “tinh khiết”, ví dụ: có thể được đo lường. d.s. Hall, hãy xác định “sự đóng góp” mà các quang điện tử tạo ra cho nó và tính độ linh động của chúng. Hóa ra nó cũng giống như đối với các electron tối. (Bây giờ tôi sẽ không tiến hành nghiên cứu như vậy, vì hiện nay người ta đã biết rõ rằng các quang điện tử sinh ra dưới tác dụng của ánh sáng ngay lập tức va chạm với các nguyên tử và sau đó, về tính chất của chúng, không khác gì các electron tối.)

Sau này, cần phải tìm ra nguyên nhân gây ra tác dụng phụ. Chúng tôi lấy mẫu một tấm oxit đồng dài khoảng hai cm, gắn một thiết bị đo vào nó bằng cách sử dụng các electron, đặt tấm này trong một từ trường song song với mặt phẳng của tấm và chiếu sáng nó bằng ánh sáng từ một ngọn đèn mạnh. Thiết kế thí nghiệm giống như trong Hình 2. Hóa ra với một từ trường nhỏ - khoảng 1 T -

6

I. K. Kikoin

Điện áp trên các điện cực đạt tới 20 V!

Hiện tượng này hoàn toàn không được hỗ trợ. Và khi tôi báo cáo về công trình này tại một trong những cuộc hội thảo của chúng tôi tại Viện Vật lý-Kỹ thuật, những người thuyết trình đã rất nghi ngờ câu chuyện của tôi. Tôi ngay lập tức trình diễn thí nghiệm đơn giản của mình trước khán giả. Và mặc dù những nghi ngờ về sự tồn tại của hiệu ứng này đã biến mất nhưng bí ẩn của nó vẫn không hề giảm đi. Một lý thuyết định tính và định lượng về hiệu ứng này (khi đó chúng tôi gọi nó là từ tính) đã được phát triển sau đó. Bây giờ tôi sẽ không nói chi tiết hơn về hiệu ứng này vì một bài báo về chủ đề này sẽ xuất hiện trên một trong những số sắp tới của tạp chí. Tôi sẽ chỉ nói rằng bằng cách nghiên cứu hiệu ứng này trong chất bán dẫn, người ta có thể tìm ra một số tính chất quan trọng trong công nghệ của chúng.

Tất nhiên, công việc được mô tả ở trên không làm cạn kiệt phạm vi nghiên cứu chất bán dẫn được thực hiện tại Viện Vật lý-Kỹ thuật Leningrad. Dưới sự lãnh đạo của A.F. Ioffe và với sự tham gia trực tiếp của ông, cộng đồng đã thực hiện một chương trình làm việc để làm sáng tỏ các vấn đề về điện và năng lượng tự nhiên.

hiện tượng điện trong chất bán dẫn. Tuy nhiên, các câu hỏi về ứng dụng thực tế của những hiện tượng này đang được phát triển.

Một trong những lĩnh vực nghiên cứu khoa học chính tại Viện Vật lý-Kỹ thuật cũng là nghiên cứu tính chất điện của chất điện môi. Trong số những nhân viên liên quan đến vấn đề này có Igor Vasilyevich Kurchatov. Phòng thí nghiệm do ông đứng đầu bắt đầu nghiên cứu các tính chất của cái gọi là Rochelle soli (công thức hóa học NaKC₄H₄O₆·4H₂O). Pha lê Rochelle soli rất đẹp. Chúng đạt kích thước khổng lồ. Tôi hài lòng quan sát Igor Vasilievich trồng chúng từ máy quét trong các bình thủy tinh lớn.

Muối Rochelle là đại diện điển hình của chất điện môi có hằng số điện môi dị thường. (Hãy nhớ lại rằng hằng số điện môi là một số cho biết điện trường bên trong chất điện môi nhỏ hơn bao nhiêu lần so với điện trường bên ngoài nơi đặt chất điện môi.) Vì vậy, trong các chất điện môi thông thường, độ thấm có thứ tự vài đơn vị (đối với thủy tinh - 3 5, đối với mica - 7 8); Hằng số điện môi của nước bằng 80, được coi là cao bất thường. Và đối với Rochelle soli, giá trị của giá trị này có thể lên tới vài chục nghìn đơn vị! Và một điều bất thường nữa là “hành vi” chưa được huấn luyện của tính thấm này khi điện trường ngoài thay đổi: trong trường mạnh giá trị của nó không lớn, nhưng trong trường yếu nó đạt giá trị rất lớn. Đương nhiên, việc nghiên cứu các đặc tính của Rochelle soli rất được quan tâm. Sử dụng nó làm chất độn, có thể tạo ra các tụ điện nhỏ với công suất rất lớn. Đúng vậy, các đặc tính dị thường của Rochelle soli xuất hiện ở phạm vi nhiệt độ khá hẹp (từ khoảng -30°C đến +30°C).

Thông qua các nghiên cứu chi tiết, Kurchatov đã chỉ ra rằng hành vi của sắt-

7

các chất điện (còn gọi là chất điện môi có cùng đặc tính dị thường như muối Rochelle) hành xử theo nhiều cách tương tự như hành vi của nam châm sắt. Ví dụ, sự phụ thuộc của cảm ứng điện (còn gọi là điện trường của cực bên trong) trong sắt điện vào cường độ của điện trường ngoài cũng tương tự như sự phụ thuộc của cảm ứng từ trong sắt từ vào từ trường bên ngoài. Trong sắt điện tinh thể, cũng như trong sắt từ, người ta quan sát thấy các đặc tính dị hướng sắc nét: đặc tính điện của chúng phụ thuộc đáng kể vào hướng của trường ngoài so với các trục khác nhau của tinh thể. Khi nung nóng các chất sắt điện, người ta quan sát thấy rằng khi chúng vượt qua nhiệt độ “ tới hạn” (đối với muối Rochelle, như chúng ta đã nói, nhiệt độ này là ~30°C), tính chất điện của chúng thay đổi đột ngột - sự bất thường của điện dung điện môi biến mất và trong tương lai chúng hoạt động giống như các chất điện môi nói chung. Hiện tượng này hoàn toàn giống với đặc tính của sắt từ khi chúng đi qua điểm Curie - khi chúng chuyển từ trạng thái sắt từ sang trạng thái tham số. Nghiên cứu sự chuyển tiếp của chất sắt điện qua điểm Curie (vì nhiệt độ tới hạn của chất sắt điện được đặt theo tên dị thường), Kurchatov đã chỉ ra rằng, giống như trường hợp của chất sắt từ, quá trình chuyển đổi này đi kèm với sự giải phóng nhiệt. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng dị thường đối với chất sắt từ được gọi là từ nhiệt). Sự giống nhau giữa sắt điện và sắt từ lớn đến mức các nhà khoa học nước ngoài gọi hiện tượng sắt điện.

I.V. Kurchatov đã thu thập các kết quả nghiên cứu của mình trong một cuốn sách riêng, cuốn sách này được khắp nơi công nhận là nghiên cứu cơ bản về sắt điện.

Một lát sau tại Viện Vật lý P. N. Lebedev

A. F. Ioffe (trái) cùng các sinh viên A. I. Alikhanov và I. V. Kurchatov tại một trong những phòng thí nghiệm của Viện Vật lý và Công nghệ.

9

người mà Khimka Bodenstein. Anh ấy viết rằng N.N. Các thí nghiệm của Semenov không thuyết phục. Áp suất oxy trong chúng được thay đổi bằng đồng hồ đo áp suất và để ngăn hơi phốt pho làm hỏng nó, một bẫy được làm mát bằng không khí lỏng được đặt giữa đồng hồ đo áp suất và bình chứa phản ứng diễn ra. Hơi photpho ngưng tụ trong bẫy tạo ra dòng hơi photpho hướng về phía bẫy. Oxy khi đi vào bình cũng đi qua bẫy nhưng theo hướng ngược lại với hướng dòng hơi photpho. Bodenstein tin rằng ở áp suất oxy thấp, nó chỉ đơn giản bị các thông số phốt pho “thổi bay” và hoàn toàn không đi vào bình, do đó phản ứng không xảy ra vì không có oxy trong bình.

Sau khi đọc ghi chú này, Semenov quyết định lặp lại thí nghiệm của mình. Đồng thời, ông tin rằng lời chỉ trích của Bodenstein đúng một phần - áp suất oxy không thay đổi khá chính xác. Nhưng ngay cả sau khi loại bỏ các lỗi phát sinh, hóa ra phản ứng giữa phốt pho và oxy ở trạng thái khí vẫn sẽ chỉ bắt đầu ở những áp suất tối thiểu nhất định. Cùng lúc đó, một hiện tượng hoàn toàn khó hiểu khác cũng được phát hiện. Bản thân áp suất tới hạn phụ thuộc vào kích thước của bình chứa phản ứng xảy ra. Nếu bình có hình cầu thì áp suất tới hạn tăng tỷ lệ với đường kính của bình. Bình càng lớn thì áp suất bắt đầu phản ứng càng lớn. Như N.N. Semenov sau đó đã viết, khi phát hiện ra hiện tượng này, ông hoàn toàn không hiểu gì nữa.

Semenov đã nói về công việc của mình tại một hội thảo tại Viện Vật lý-Kỹ thuật. Mọi người đều đã biết những lời chỉ trích của Bodenstein và lại bắt đầu rút kinh nghiệm. Cho dù Semenov có thuyết phục những người bắt đầu rằng không còn sai sót nào trong các thí nghiệm của anh ấy nữa thì họ vẫn phản ứng với điều này với sự ngờ vực, đặc biệt là vì Nikolai Nikolaevich không thể giải thích kết quả thu được vào thời điểm đó.

N. N. Semenov

Tin chắc rằng mình đúng, N. N. Semenov đã xuất bản một số bài báo về kết quả thu được. After this, a letter came from Bodenstein, in which he completely agreed with these results, recognized the greater significance of the discovered phenomena and offered Semenov further work to be published in the journal, which he himself edited. Ngay sau đó, N. N. Semenov đã tạo ra một lý thuyết định tính về các hiện tượng mà ông đã khám phá ra.

Đây là một khám phá lớn được cả thế giới công nhận. It followed entirely a new direction in science - the study of branched chemical chain reactions, which was successfully developing not only here, but also abroad. For these works, N. N. Semenov, together with the English chemist Hinshelwood, who worked on the same issues, was awarded the Nobel Prize in 1956.

N. N. Semenov là người sáng lập cả một trường phái động học của các phản ứng hóa học. Nhiều nhà khoa học thuộc về nó. Đại diện lớn nhất của nó là học giả Yuliy

10

Borisovich Khariton và Viktor Nikolaevich Kondratev. Yu. B. Khariton tiếp tục nhiều công việc liên quan đến phản ứng hóa học gây nổ. Nhà lý thuyết lớn nhất trong lĩnh vực này là một sinh viên khác của Semenov, Viện sĩ Ykov Borisovich Zeldovich. Ông đã phát triển cả lý thuyết phản ứng dây chuyền và lý thuyết đốt cháy. Những lý thuyết này có tầm quan trọng lớn đối với công nghệ, đặc biệt là công nghệ nổ.

In 1928, at one of the regular seminars, Abram Fedorovich Ioffe said: “I must read you a short note, a copy of which was sent to me by Professor Raman from India.” Đây là bản in lại của một ghi chú được đăng trên tạp chí nổi tiếng tiếng Anh “Nature” (bằng tiếng Nga - “Nature”). Nó có một phần gọi là “Thư gửi biên tập viên”, nơi các nhà khoa học thường báo cáo ngắn gọn về công việc mới của họ. Tạp chí này được xuất bản hàng ngày và do đó bạn có thể nhanh chóng xuất bản những thông tin cần thiết.

Ghi chú của Raman thảo luận về thực tế là khi ánh sáng bị tán xạ trong chất lỏng, quang phổ của ánh sáng tán xạ khác với quang phổ của ánh sáng tới. Nếu một chất lỏng được chiếu sáng bởi ánh sáng có bước sóng nhất định, chẳng hạn như màu vàng, thì ánh sáng tán xạ chứa cùng bước sóng (cùng màu), nhưng ngoài ra còn có các màu khác, các vạch quang phổ mới xuất hiện. Đây là hiện tượng mà Raman đã viết - sự xuất hiện của các vạch bổ sung trong quang phổ của chất lỏng phân tán.

Khi Ioffe đọc ghi chú này, Giáo sư Rozhansky, người ngồi cạnh tôi, người thường chăm chú lắng nghe trong các cuộc hội thảo nhưng hiếm khi nói, đột nhiên lộ ra sự phấn khích cần thiết. Anh ta đứng lên nói: “Tôi không hiểu gì cả. Tôi biết rõ rằng công việc được mô tả ở đây đã được Mandelstam thực hiện ở Moscow khoảng hai năm trước. Tôi biết chắc chắn rằng hiện tượng này được Mandelstam phát hiện vào thời điểm quan trọng.”

L. I. Mandelstam

và trong hai năm ông ấy đã nghiên cứu nó một cách cẩn thận.” Đây là cách chúng tôi, những nhà vật lý trẻ, biết được rằng ở Moscow có một trường khoa học lớn gồm các nhà vật lý, đứng đầu là Leonid Isaakovich Mandelstam.

Ghi chú của Raman chỉ ra rằng anh ấy vừa khám phá ra. Và Leonid Isaakovich Mandelstam, như chúng ta đã biết, không chỉ phát hiện ra hiện tượng này mà cùng với Grigory Samuilovich Landsberg đã tiến hành nghiên cứu, tìm ra các mô hình chính, đưa ra lý thuyết hoàn chỉnh về hiện tượng này và đã gửi một bài viết chi tiết để in. Nhưng nó đã được các biên tập viên của Tạp chí nhận được và gửi đến Mandelstam, muộn hơn hai tuần so với ghi chú của Raman trên tạp chí Nature. Ghi chú này được phát trên radio khi Raman đang vội. Thật không may, hiệu ứng xuất hiện thêm các vạch quang phổ trong ánh sáng tán xạ ngày nay thường được gọi là hiệu ứng Raman. Đúng là các nhà khoa học đã mất khách quan, ngay sau khi hiện tượng này được phát hiện, theo tên gọi và sách vở, đã gọi nó là hiệu ứng Mandelstam-Landsberg-Raman.

12

G. V. Kurdomov

Các nhà vật lý Nga do Pyotr Savvich Tartakovsky lãnh đạo, và ở Dnepropetrovsk - do Georgy Vyacheslavovich Kurdomov, hiện là một học giả đứng đầu.

Thật không may, ở Tomsk việc trừng phạt các nhà vật lý Leningrad không nhận được nhiều sự ủng hộ từ các nhà vật lý địa phương, và viện này trên thực tế đã sụp đổ. Nhưng viện được tổ chức ở Dnepropetrovsk đã nhanh chóng phát triển mạnh mẽ hơn và trở nên nổi tiếng nhờ công việc của mình. Điều này chủ yếu được giải thích là do nó nằm ở trung tâm luyện kim của Ukraine và giám đốc viện, G.V. Kurdomov, là chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực này. Công việc mà ông làm khi còn làm việc tại Viện Vật lý và Công nghệ Leningrad liên quan đến nghiên cứu di truyền RENT về một trong những quy trình quan trọng nhất trong luyện kim - những biến đổi tiếp thị trong thép. Kurdomov là người đầu tiên chỉ ra bản chất của những biến đổi tiếp thị xảy ra trong quá trình luyện thép. Tác phẩm kinh điển này đã mang lại cho ông danh tiếng trên toàn thế giới. Nó có tầm quan trọng lớn về mặt kỹ thuật.

Năm 1932, Viện Vật lý-Kỹ thuật Ural (Viện Vật lý-Kỹ thuật Ural) được tách ra khỏi Viện Vật lý-Kỹ thuật Leningrad, sau này định cư ở Sverdlovsk, trung tâm công nghiệp lớn nhất của Urals. Tôi cũng có mặt ở đó. Mặc dù chúng tôi được gọi là Viện Vật lý-Kỹ thuật Ural, nhưng trước khi xây dựng tòa nhà ở Sverdlovsk, chúng tôi đã làm việc ở Leningrad và chỉ chuyển đến Sverdlovsk vào năm 1936. Ngày nay viện này được gọi là Viện Vật lý Kim loại; nó đã trở thành một trong những viện vật lý lớn nhất ở nước ta. Bây giờ nó được lãnh đạo bởi nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng Sergei Vasilyevich Vonsovsky, người vào thời điểm thành lập viện là một nhân viên trẻ vừa tốt nghiệp đại học.

Trong 5 năm đầu, vật lý ở nước ta phát triển rất nhanh, số lượng cán bộ khoa học tăng nhanh. Tôi nhớ rằng trong thời gian tôi làm việc vào những năm 1927-1930, Viện Vật lý-Kỹ thuật Leningrad đã tăng thêm ba trường. Cuối cùng, một số viện độc lập đã xuất hiện từ đó: Viện Vật lý Hóa học dưới sự lãnh đạo của N. N. Semenov, sau đó chuyển đến Moscow; Viện Truyền thông do Giáo sư D. A. Rozhansky đứng đầu; Viện văn hóa cao dưới sự lãnh đạo của A. A. Chernyshev. Viện Vật lý Nông nghiệp cũng được tổ chức, do chính A.F. Ioffe đứng đầu. Ông tin rằng vật lý không chỉ nên được sử dụng trong công nghiệp mà còn trong nông nghiệp.

Do đó, bắt đầu từ năm 1928, được hướng dẫn bởi các quyết định của đảng, chính phủ và vết thương của chính mình, A.F. Ioffe đã có thể thành lập các viện vật lý ở một số trung tâm công nghiệp của Liên Xô, góp phần to lớn vào sự phát triển khoa học và công nghiệp ở nước ta. Viện Vật lý và Công nghệ Leningrad đã trở thành

13

một cái nôi vật lý tượng hình trên khắp Liên Xô.

Năm 1934, nhà vật lý nổi tiếng Pyotr Leonidovich Kapitsa từ Anh trở về Liên Xô sau một chuyến đi khoa học dài ngày. Khi làm việc ở Anh, ông trở nên nổi tiếng nhờ nghiên cứu một số tính chất của các chất trong từ trường mạnh. Từ trường thông thường được tạo ra trong các phòng thí nghiệm vào thời điểm đó có kích thước từ 1-2 T. Để thu được từ trường mạnh hơn, người ta phải sử dụng các trường điện từ lớn, rất tốn kém. Tất nhiên, có thể tạo ra từ trường mạnh bên trong cuộn dây điện mà không cần sắt. Nhưng để làm được điều này, cần phải cung cấp cho cuộn dây điện từ một dòng điện rất mạnh, điều này có liên quan đến sự giải phóng nhiệt lớn và quá nhiệt của cuộn dây điện từ.

Kapitsa lý luận như thế này. Không nhất thiết phải có ruộng rộng liên tục trong thời gian dài. Các hiện tượng xảy ra trong một chất đặt trong từ trường có tính chất nguyên tử. Và những hiện tượng như vậy diễn ra rất nhanh - tính bằng phần triệu, thậm chí hàng tỷ giây. Vì vậy, chỉ cần tạo ra một từ trường mạnh tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn là đủ và trong thời gian này, các nghiên cứu cần thiết được thực hiện trong đó. Kapitsa đã thực hiện ý tưởng này theo cách sau. Một từ trường được tạo ra trong một cuộn dây điện từ trong đó một dòng điện lớn từ máy phát điện chạy qua trong một polerinad (0,01 giây).

Phần ứng của máy phát điện được tháo xoắn bằng động cơ điện. Trong trường hợp này, các cực của máy phát điện đã mở. Khi phần ứng được giải phóng đến tốc độ tính toán (danh nghĩa), động cơ sẽ tắt và phần ứng tiếp tục quay theo quán tính. Ví dụ, tại các cực hở của cuộn dây (emf), nó thay đổi theo quy luật hình sin. Tại thời điểm nó “đi qua” điểm 0, bằng cách sử dụng một công tắc đặc biệt, các cực của máy phát điện sẽ bị chập vào cuộn dây điện từ. Và sau nửa thời gian, tức là sau 0,01 giây, khi hướng lại giảm về 0, mục tiêu đã được mở khóa. Mạch phải được mở vào thời điểm dòng điện đi qua số 0 để tránh xảy ra hồ quang điện. Trong quá trình sản xuất, một dòng điện cao chạy qua cuộn dây (và do đó tồn tại một từ trường lớn) và cuộn dây không có thời gian để nóng lên nhiều. Nhưng một khó khăn khác lại nảy sinh. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây điện, lực hướng tâm tác dụng lên mỗi vòng của nó, có xu hướng làm đứt nó. Khi dòng điện đạt đến mức cao, các lực này có thể vượt quá giới hạn cường độ của vật liệu cuộn dây và nó sẽ bị sập. (Peter Leonidovich kể rằng khi ông thực hiện thí nghiệm này lần đầu tiên trong một phòng thí nghiệm ở Anh, cuộn dây bị đứt, các mảnh của nó văng ra các hướng khác nhau. Và cùng ngày hôm đó, các nhân viên phòng thí nghiệm đã gấp rút bảo hiểm mạng sống của họ.) Vì vậy, nảy sinh ra rằng việc thu được từ trường mạnh theo cách này chỉ giới hạn ở việc đọc các vật liệu làm ra cuộn dây. Kapitsa chế tạo cuộn dây từ đồng đặc biệt có độ dẫn điện cao. Cuộn dây nhỏ - đường kính 25 mm, chiều dài - khoảng 100 mm. Một dòng điện chạy qua cuộn dây này trong một phần trăm giây, khiến nó có thể thu được trường khoảng 30 T.

Trong những lĩnh vực như vậy, Kapitsa đã nghiên cứu một số hiện tượng vật lý. Đặc biệt, ông đã nghiên cứu rất chi tiết về tác động của từ trường lên điện trở của dây dẫn. Ở trường thấp, sự thay đổi điện trở của dây dẫn trong từ trường tăng xấp xỉ tỷ lệ với bình phương của cảm ứng từ. Người ta cho rằng trong các trường mạnh cũng sẽ có sự phụ thuộc tương tự. Nhưng hóa ra là trong các trường mạnh, sự phụ thuộc bình phương của sự thay đổi điện trở vào độ lớn của cảm ứng từ bị vi phạm. Đã tìm thấy sự trùng hợp giữa giá trị điện trở của dây dẫn và giá trị cảm ứng từ trường.

14

Điều đáng quan tâm nhất là nghiên cứu tính chất của các chất khác nhau trong điều kiện từ trường mạnh kết hợp với nhiệt độ thấp. Và Kapitsa bắt đầu xem xét vấn đề làm thế nào để đạt được nhiệt độ thấp gần độ không tuyệt đối. Được biết, chất lỏng có nhiệt độ thấp nhất là helium lỏng. Ở áp suất bình thường, nhiệt độ sôi của helium lỏng là 4,2 K.

Helium lỏng lần đầu tiên được nhà khoa học người Hà Lan Kamerlingh Onnes thu được vào năm 1908. Cơ sở mà ông xây dựng trong phòng thí nghiệm của mình ở Leiden đã sản xuất ra một lượng nhỏ helium lỏng. Việc cài đặt như vậy rất tốn kém. P. L. Kapitsa đã phát triển một hệ thống lắp đặt hiệu quả và tiết kiệm hơn, trong đó ông có thể thu được một lượng helium lỏng khá lớn.

Vào thời điểm đó, các nhà vật lý bắt đầu quan tâm đến các tính chất của helium lỏng. Thực tế là helium lỏng là chất duy nhất, như người ta nói, trải qua quá trình biến đổi pha khi ở trạng thái lỏng: ở nhiệt độ 2,19 K, các tính chất vật lý của nó thay đổi mạnh. Trên nhiệt độ này, helium hoạt động giống như một chất lỏng hoạt hình và ở $T \leq 2,19$ K, nó có một số đặc tính hoàn toàn khác thường: độ dẫn nhiệt của nó tăng mạnh và độ dẻo dai của nó giảm mạnh. Người ta thường gọi helium ở nhiệt độ trên 2,19 K là helium I và ở $T \leq 2,19$ K - helium II.

Helium II lần đầu tiên được phát hiện bởi Kamerlingh Onnes. Sau đó Keez nghiên cứu nó tại phòng thí nghiệm Leiden. Ông phát hiện ra rằng độ dẫn nhiệt của helium II lớn hơn nhiều lần so với các kim loại dẫn nhiệt tốt nhất. Vì vậy, Kees gọi helium II là chất siêu dẫn.

P. L. Kapitsa bắt đầu nghiên cứu các tính chất của helium II vào năm 1937. Phân tích dữ liệu thực nghiệm có được vào thời điểm đó, ông đi đến kết luận rằng độ dẫn nhiệt cực cao của helium II không thể giải thích được bằng các quá trình cân bằng nhiệt độ thông thường

15

bên trong chất. Ông cho rằng sự chuyển giao cơ thể tích hợp trong Gelinii II có thể liên quan đến sự đối lưu. Các tính toán đã chỉ ra rằng dòng đối lưu phải được thực hiện trong Gelini II một cách dễ dàng cần thiết, không có ma sát. Có thể giả định rằng Gelini II là chất lỏng siêu lỏng, tức là chất lỏng không có chất lỏng.

Để kiểm tra giả định này, Pyotr Leonidovich đã tiến hành một thí nghiệm như vậy vào năm 1938. Ông luồn Gelini II qua khe hở giữa hai tấm kính phẳng, bóng loáng ép vào nhau. Các đầu được đánh bóng cẩn thận đến mức khoảng cách giữa chúng không quá nửa micron. Và xuyên qua khoảng trống như vậy, dưới tác động của trọng lực của chính nó, gelini II chảy với tốc độ chỉ có thể có khi gần như hoàn toàn không có sự tức giận!

Đây là cách phát hiện ra hiện tượng siêu chảy trong Gelini II.

Một bí ẩn khác vẫn chưa được giải quyết, liên quan đến sự thay đổi độ dày của helinium II. Thực tế là sự kiêu ngạo có thể được định nghĩa theo hai cách. Một trong số đó là sự thay đổi tốc độ dòng chất lỏng từ bình mao quản (hoặc qua một khe hẹp, như trường hợp thí nghiệm của P. L. Kapitsa). Đối với một chênh lệch áp suất nhất định ở hai đầu mao quản, mao quản càng ít chất lỏng thì chất lỏng chảy qua càng ít trong một thời gian nhất định. Cách thứ hai để xác định độ cứng là nghiên cứu sự tắt dần của dao động tròn của chất rắn trong chất lỏng. Một đĩa mỏng được hạ xuống chất lỏng trên một sợi dây sao cho mặt phẳng của nó nằm ngang và quan sát được dao động tròn của chính nó quanh trục đi qua sợi dây. Đương nhiên, độ dày chất lỏng càng cao thì rung động càng tắt nhanh. Đối với tất cả các chất lỏng, giá trị độ dày được điều chỉnh bằng hai phương pháp này là như nhau. Nhưng đối với Gelini II, những giá trị này lại khác. Phương pháp đầu tiên cho một giá trị mật độ rất nhỏ, thể hiện tính siêu chảy của helium II, và phương pháp thứ hai dẫn đến các giá trị nhỏ nhưng thay đổi hoàn toàn.

L. D. Landdu

Đáp số tất cả những câu hỏi này dành cho lý thuyết thủy động lực học về tính siêu lỏng, được tạo ra vào năm 1941 bởi viện sĩ Lev Davidovich Landdu. Ông đã chỉ ra rằng cách tiếp cận cổ điển nói chung để giải thích các tính chất của vật chất ở nhiệt độ cột là không chính xác. Landd đã phát triển được lý thuyết lượng tử về tính siêu lỏng He II. Cô giải thích kết quả thí nghiệm của Kapitsa và dự đoán một số hiện tượng mới mà các thí nghiệm đã sớm phát hiện ra.

Bản chất siêu lỏng của helium lỏng vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi. Nhưng lý thuyết siêu lỏng do Landdu sáng tạo đã có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vật lý lý thuyết. Đó là chìa khóa để tạo ra lý thuyết về một hiện tượng đáng chú ý khác xảy ra ở nhiệt độ thấp - hiện tượng siêu dẫn. Và mặc dù điều này xảy ra muộn hơn nhiều, nhưng đối với tôi, có vẻ như sẽ thích hợp hơn nếu nói về nó ngay bây giờ, phá vỡ trật tự thời gian mà tôi đã đặt ra.

16

Tôi đã cố gắng bám vào nó ít nhiều.

Hãy để tôi nhắc bạn rằng hiện tượng siêu dẫn được Kamerlingh Onnes phát hiện vào năm 1911. Ông phát hiện ra rằng ở nhiệt độ 4,15 K, điện trở của thủy ngân biến mất hoàn toàn và gọi hiện tượng này là siêu dẫn. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng nhiều kim loại và hợp kim ở nhiệt độ thấp mất điện trở và trở thành siêu dẫn. Tất nhiên, sự tồn tại của chất dẫn điện không có điện trở hứa hẹn những triển vọng thực tế hấp dẫn, và các nhà vật lý trở nên rất tích cực trong việc nghiên cứu tính siêu dẫn. Tuy nhiên, không thể tạo ra một lý thuyết chung về hiện tượng này.

Sau khi cơ học lượng tử ra đời, lý thuyết vi mô của chất rắn đã được xây dựng, tức là lý thuyết xem xét các tính chất của chất rắn từ quan điểm hành vi của các electron và nguyên tử. Nó xác định đầy đủ chất lượng tất cả các tính chất của kim loại, chất điện môi và chất bán dẫn trong các điều kiện khác nhau. Nhưng hiện tượng siêu dẫn vẫn là một hiện tượng bí ẩn. Và chỉ đến năm 1957, tức là 46 năm sau khi phát hiện ra hiện tượng này, nó mới nhận được lời giải thích trong lý thuyết vi mô do nhà khoa học Liên Xô Nikolai Nikolaevich Bogolyubov tạo ra và, độc lập với ông, bởi các nhà vật lý người Mỹ Bardeen, Cooper và Schriefer (BCS, như nhóm này được gọi).

Vào thời điểm đó, nhiều tính chất của chất siêu dẫn đã được nghiên cứu thực nghiệm. Người ta phát hiện ra rằng dưới tác động của từ trường, tính siêu dẫn của kim loại bị phá hủy - chúng trở thành chất dẫn điện thông thường. Giá trị cảm ứng từ trường tại đó tính siêu dẫn biến mất được gọi là trường tới hạn (cảm ứng tới hạn). Giá trị này là khác nhau đối với các kim loại khác nhau. trường tới hạn phụ thuộc vào nhiệt độ của chất siêu dẫn. Nhiệt độ càng cao thì trường tới hạn càng nhỏ. Ở nhiệt độ tới hạn, trường tới hạn bằng không.

Hơn nữa, người ta cũng chứng minh rằng từ trường là chất siêu dẫn bên trong

L. V. Shubnikov

nick không xuyên qua và nếu nó đã có trong kim loại thì khi nó chuyển sang trạng thái siêu dẫn (khi nhiệt độ giảm), nó sẽ bị đẩy ra ngoài. Đây là những tính chất cơ bản nhất của chất siêu dẫn.

Một khi chúng được phát hiện, rõ ràng là khả năng sử dụng chất siêu dẫn để tạo ra dòng điện không tải lớn và tạo ra từ trường mạnh là rất hạn chế. Thật vậy, dòng điện chạy qua dây dẫn tự nó tạo ra từ trường. Dòng điện càng cao thì trường này càng lớn. Nhưng ngay khi cảm ứng của trường này đạt đến giá trị tới hạn, chất siêu dẫn sẽ chuyển sang trạng thái bình thường. Kinh nghiệm đã chỉ ra rằng các giá trị của trường tới hạn của cốc có thứ tự $10^{-2} - 10^{-1}$ T.

Lý thuyết siêu dẫn microcoppic được tạo ra vào năm 1957. Nhưng điều này không có nghĩa là cho đến lúc đó không có phương tiện nào để tính đến việc thiết lập các mối liên hệ giữa các đại lượng khác nhau đặc trưng cho tính chất và hành vi của chất siêu dẫn.

17

A. I. Shalnikov

Vì vậy, vào năm 1937, L. D. Landdu, khi phân tích dữ liệu thực nghiệm có được vào thời điểm đó, đã dự đoán về mặt lý thuyết một hiện tượng mới liên quan đến quá trình chuyển kim loại từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái bình thường trong từ trường. Theo lý thuyết của ông, quá trình chuyển đổi này diễn ra dần dần. Bắt đầu từ một giá trị chỉ thị từ trường nhất định chưa đạt đến giá trị tới hạn, trường sẽ thâm nhập một phần vào chất siêu dẫn. Đồng thời, một lớp xen kẽ được hình thành trong đó - siêu dẫn và không siêu dẫn. Khi đạt tới giá trị tới hạn của chỉ thị trường ngoài, trạng thái siêu dẫn bị phá hủy hoàn toàn.

Các thí nghiệm sớm được thực hiện tại Viện Vật lý và Công nghệ Kharkov bởi Lev Vasilyevich Shubnikov và tại Viện Các vấn đề Vật lý Moscow bởi thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô Alexander Iosifovich Shalnikov, các bài giảng đã xác nhận những mô tả trước về lý thuyết của Landdu. Tôi đã có cơ hội quan sát những thí nghiệm này ở Moscow và Kharkov. Họ đã chứng minh rõ ràng cấu trúc của trạng thái trung gian “phức tạp”, có thể nói, địa hình của các lớp siêu dẫn xen kẽ và các lớp thông thường của quả cầu siêu dẫn bên trong. Trạng thái siêu dẫn này ở nước ngoài thường được gọi là “pha Shubnikov”.

Vào những năm 1950-1952, một nhóm các nhà vật lý Liên Xô - các học giả Vitaly Lazarevich Ginzburg và Lev Davidovich Landdu, các thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô Alexei Alekseevich Abrikovov và Lev Petrovich Gorkov - đã phát triển một lý thuyết từ đó cho rằng các chất siêu dẫn có các đặc tính cần thiết phải tồn tại. Bây giờ nó được gọi là lý thuyết GLAG (Ginsburg, Landdu, Abrikovov, Gorkov). Các chất siêu dẫn như vậy được gọi là chất siêu dẫn loại II, trái ngược với các chất siêu dẫn thông thường. Đối với họ, giá trị của trường quan trọng phải lớn hơn đáng kể.

Rất nhanh chóng, các thí nghiệm đã được thực hiện để chứng minh đầy đủ những câu chuyện trước đó. Hóa ra, kim loại nobium và toàn bộ loạt hợp kim thuộc về chất siêu dẫn loại II. Giá trị của các trường tới hạn đối với các chất siêu dẫn như vậy thực sự rất lớn. Ví dụ, đối với hợp kim nobium với trứng, nó đạt tới 20-30 T. Giá trị lớn của trường tới hạn cho phép sử dụng chất siêu dẫn loại II để tạo ra từ trường mạnh. Hơn nữa, mặc dù chi phí cao liên quan đến việc sản xuất gel lỏng, việc sử dụng chất siêu dẫn hóa ra lại mang lại lợi nhuận cao hơn nhiều so với việc sử dụng nam châm điện thông thường. Hiện đã có máy phát điện và động cơ điện với vật liệu siêu dẫn có công suất khoảng 10.000 kilowatt. Hiện nay, vấn đề truyền tải điện đi xa bằng đường truyền “siêu dẫn” đang được quan tâm.

Như vậy, lý thuyết của các nhà vật lý Liên Xô đã đóng vai trò rất lớn trong việc tạo ra công nghệ mới.