Зачем нужны теоретические работы по физике твердого тела? Почему без них невозможны никакие технические решения? Какие новые знания они открывают? Как происходит взаимосвязь между теорией и практикой? Об этом мы беседуем с членом-корреспондентом РАН Петром Иваровичем Арсеевым, заведующим сектором теории твердого тела отделения теоретической физики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.
— Хотела бы начать с вопроса о вашем дедушке, известном геометре П.К. Рашевском. Вы его помните? Он оказал на вас влияние?
— Конечно. Правда, я не стал математиком, потому что в школе у меня отчетливо проявились физические способности, но во всем, что касается математической подготовки, я думаю, дед сыграл большую роль. Я до сих пор пользуюсь его учебниками.
— Вы занимаетесь теоретическими работами в области теории твердого тела. Какова вообще роль теоретической физики, той ее части, которая, как кажется, не очень связана с непосредственными практическими применениями?
— Простейшее рассуждение здесь заключается в том, что любой физик, который делает какую-то практическую вещь, для расчета характеристик или оценки, как это будет работать, все-таки использует формулы или методы. Вопрос: откуда эти методы и формулы берутся? Даже когда у нас есть достаточно известная наука, все равно методы расчета каких-то характеристик конкретных приборов должны совершенствоваться. Появляются новые материалы, новые возможности. Кто-то должен эти формулы писать, понимать, как они связаны с предыдущими.
Существует класс людей, которые занимаются скорее не тем, чтобы какую-то науку применять, сделать конкретный конечный продукт, а тем, чтобы создать некоторый аппарат, метод, которые позволяют исследовать, как эти приборы работают. И вот как раз теоретическая физика должна этим заниматься. И поскольку никто точно не может сказать, что именно вам потом понадобится на практике, то приходится заниматься многим. Точнее — всем.
К счастью или к несчастью, это зависит от точки зрения; получается так, что у нас есть большая область результатов, которые вроде бы и никому не нужны. Но жесткий закон природы заключается в том, что если нет этой деятельности, от которой не видно непосредственного выхода сегодня-завтра или через пять лет, то тогда умирает та деятельность, те люди, которые способны написать нужное уравнение для датчика, самолета, еще что-то. И умирают люди, которые могут это сделать в железе. Умирают в том числе и в прямом смысле.
Поэтому моя область деятельности — скорее развитие каких-то методов теоретической физики. Это такая область в физике конденсированного состояния (не только твердого тела), которая почти смыкается с областями теории поля.
— Почему это так?
— Потому что то, что мы используем сейчас в теории конденсированного состояния, очень во многом сделано в квантовой теории поля в 1950–1960-х гг. и позже. В каком-то смысле в физике твердого тела и конденсированного состояния ситуация оказалась даже богаче, чем в физике элементарных частиц или физике квантовых полей. Конечно, там открывают массу резонансов и всего прочего, но там что дано природой, то дано. Там не так уж много настоящих частиц.
— А их исследователи говорят, что их много, и еще больше неоткрытых.
— Основных, в рамках Стандартной модели немного. И, кроме того, физика элементарных частиц и теории поля занимается ситуациями, когда частицы рождаются из вакуума. У нас нет никаких частиц, потом летит электрон, с чем-то столкнулся, появились гамма-кванты, еще что-то и одна-две-три частицы.
— А в физике твердого тела иначе?
— Характерное число — 1023. В 1 см2 металла или дерева 1023 частиц, и они еще как-то взаимодействуют друг с другом. Поэтому ясно, что в твердом теле очень много частиц и все они взаимодействуют друг с другом. В этом смысле ситуация несравнимо тяжелее, чем в той же теории поля. Если бы у нас не было каких-то упрощающих предположений, то мы бы вообще ничего не смогли сказать о поведении такой системы.
В частности, известно, что, когда Л.Д. Ландау говорил об электронах в металле (это очень сильно взаимодействующие системы), он был абсолютно уверен, что ничего хорошего здесь сделать невозможно, ничего сказать нельзя, теория тут бессильна. А потом сам же написал теорию жидкости Ландау, после которой выяснилось, что, оказывается, в металле как раз можно говорить о том, что электроны ведут себя как отдельные свободные частицы, несмотря на их огромное число и очень сильное взаимодействие между ними.
— Правильно ли я понимаю, что теория твердого тела — это не что-то уже законченное, а постоянно развивающееся?
— Да. Мне всегда было немного странно слышать утверждения, что здесь все более или менее понятно и сделано, чего этим заниматься.
Хрестоматийный пример того, насколько опасно так говорить, — когда Максу Планку в юности профессор сказал, что в физике все уже в основном закончено. Потом, например, долгое время считалось, что в теории сверхпроводимости больше ничего не придумаешь, что наибольшая критическая температура (если получится) — это 20 К, лучше не будет. А в 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, и теперь уже есть сверхпроводники с критической температурой 110–120 К. Этого тоже никто не ожидал.
— А в теории твердого тела такого рода неожиданности были?
— В теории твердого тела из того, что я сам застал, наиболее яркими были две вещи. Первое — это то, что называется квантовым эффектом Холла. Существует классический эффект Холла, который, кстати, работает во многих современных автомобилях. Если у вас есть проводник, по нему пущен электрический ток, а проводник помещен в перпендикулярное магнитное поле, то электроны при движении там начинают загибаться в сторону благодаря силе Лоренца. И когда электроны загибаются, то на том краю, куда они прибежали, отклонившись от прямого движения, образуется отрицательный заряд, а на другом — положительный. Получается, что у вас возникает напряжение, называемое холловским. В современных машинах датчики момента начала зажигания, как правило, работают на эффекте Холла.
Классический эффект Холла устроен довольно просто: возникает сила Лоренца, которая отклоняет электроны. При этом чувствуется, что чем сильнее вы подали магнитное поле, тем сильнее там должен отклоняться электрон, тем больше холловское напряжение.
И вдруг выяснилось, что напряжение Холла растет скачками, не непрерывно. Вы меняете, меняете поле (при этом напряжение некоторое время не меняется), а потом вы еще больше увеличили поле, и напряжение вдруг переместилось на другую ступеньку. И то, что идет такая ступенчатая зависимость, назвали квантовым в том смысле, что идет кусками, квантами. А потом поняли, как это явление устроено, что надо делать, чтобы появился такой эффект.
— А зачем нужно, чтобы он появился?
— Одно из практических применений этого явления — возможность восстановить в лабораторных условиях значения некоторых элементарных констант с огромной точностью. Многие эксперименты, связанные с метрологией, с установлением точного значения каких-то величин, обычно очень сложные, громоздкие. А здесь сделали приборчик, и по положению этих «квантованных плато», как их называют, можно с большой точностью померить некоторые физические элементарные величины. Поэтому некоторая практическая польза от этого есть.
Но с точки зрения теории, мне кажется, наибольший интерес представляет то, что это — пример появления необычного состояния. Это был очень интересный пример того, как в физике твердого тела появляется некое новое состояние. Состояние электронов, для которого наблюдаются такие квантованные явления, было некоторой неожиданностью. Потом все это поняли, объяснили. С этого момента начался новый интерес к топологии в физике, но до этого никто подобного не ожидал.
И второе замечательное экспериментальное открытие — это высокотемпературная сверхпроводимость. Тоже более или менее случайно открытая, причем у нас в одном из институтов лежали образцы таких же материалов, которые были давно сделаны и на которых никто не мерил проводимость, потому что даже в голову не приходило. Говорят, что, когда их вынули из шкафа и померили, выяснилось, что они тоже сверхпроводящие.
— Петр Иварович, вы — разработчик общей квантовой кинетической теории туннелирования для систем, в которых наблюдаемые характеристики определяются кинетикой. Что это такое и почему важно?
— То, что называется «туннельными эффектами», исследуется довольно давно. Это началось примерно со времен сверхпроводников — в 1950–1960-х гг. Была создана некоторая теория того, как надо описывать то, что происходит в туннельных контактах.
Туннельный контакт в бытовом смысле — это плохой контакт, который происходит между двумя проводящими или слабо проводящими материалами, когда имеется очень большое сопротивление. Но там электроны все-таки могут пролетать. И вот характеристики такого контакта, во-первых, иногда полезны в практическом смысле, а во-вторых, часто позволяют узнать что-то об электронном строении материала.
Наука о туннельных контактах все время живет, но при этом развивается техника. Поэтому вместо двух довольно больших проволок, соединенных тонкой перемычкой или зазором, который называется «туннельный контакт», появлялись очень маленькие структуры, маленькие металлические проволочки. И по ним тоже течет ток, передвигаются электроны, перепрыгивают из одного куска в другой. Но обычную теорию, которая была развита для достаточно больших кусков с плохим контактом между ними уже, применять нельзя. Потому что в обычной теории явно или неявно использованы некоторые предположения, правильность которых обеспечивается именно тем, что эти куски большие. А здесь куски маленькие.
Даже один электрон может создавать в системе большое возмущение, сильно меняя ее характеристики. Поэтому вам уже нужно смотреть на задачу в целом и пытаться описывать весь процесс того, как электрон передвигается слева направо по этой системе. Этим во многом я и занимался.
— Эта ваша идея нашла практическое применение?
— Если говорить о каких-то конкретных приборах, то не знаю. Но в современном эксперименте — конечно, такие теории надо учитывать.
— Можете ли вы привести примеры, когда ваши теоретические разработки приводили к каким-то практическим результатам, доходили до лаборатории?
— Приведу пример, который непосредственно со мной не связан, но сверхпроводимостью я тоже немного занимаюсь. У нас есть люди, которые исследовали поведение тонких сверхпроводящих проволок. Если взять массивный образец сверхпроводника, мультиметр покажет, что там нет сопротивления. А если сделать тонкие проволочки, они остаются сверхпроводящими. Сверхпроводник не стал «нормальным» металлом. Но там может появиться сопротивление. Наша группа теоретиков объяснила вполне реальный эксперимент. Он проводился во многом, чтобы понять, правильны ли эти соображения.
То, что я делал по описанию туннельных явлений, применялось для объяснения некоторых свойств того, что называется «туннельная микроскопия». Кстати, это тоже один из примеров экспериментального прорыва, который теоретически был понятен почти сразу, просто никто не верил, что это может сработать, а экспериментаторы попробовали и убедились, что работает.
— Когда вы разрабатываете какую-то теорию, вы пытаетесь представить возможности ее практического применения? Или вас это никак не интересует, поскольку вы теоретик?
— Могу высказать крамольную по сегодняшнему настроению умов мысль: меня это мало волнует. Меня больше волнует, понимаем мы или нет природу вещей: как это устроено, как это надо описывать, что там происходит, почему.
— Тогда каким образом осуществляется корреляция между теоретиками и практиками? Как они узнают, что вы это объяснили и уже можно это использовать?
— Вот у вас есть автомобиль и вам хочется сесть и доехать от дома до дачи. Какая деталь у вас в автомобиле самая важная?
— Двигатель?
— Хорошо. Вам привезли двигатель, положили на асфальт — и что? Какая вам радость от двигателя? Ну, вы можете доехать без кондиционера, без лампочек в фарах днем. Без глушителя можно, но очень громко. Поэтому если вы хотите использовать автомобиль как некий полезный предмет, надо понимать, что он содержит некоторое количество необходимых деталей, очень разных. Но для того чтобы вас эта штука привезла на дачу, нужно, чтобы они все были как-то соединены вместе.
Вот в науке так же. Наука — такой же автомобиль. У нее есть практическая часть, когда люди на основе понимания каких-то законов природы делают полезный работающий прибор. Рентгеновский аппарат, медицинский томограф, лазеры медицинские, промышленные, полупроводниковые электронные приборы. И есть часть, которая «соединяет колеса с кузовом», — должны быть люди, которые знают основные уравнения физики, понимают, что вам нужно для практических применений, умеют рассчитать характеристики того, что вы применяете. Хотя бы рассчитать мощность, которую ваш прибор будет поглощать. Это же нужно сделать по каким-то формулам. Вы же должны знать, сколько вы заберете из розетки, выдержит у вас сеть или нет. Еще есть люди, которым просто интересно, можно ли модифицировать формулы, в каких случаях они будут другие и т.д.
— Важно понимать, что все эти части работают вместе.
— Да. Скорее, это даже не автомобиль, а улей. Если вы начинаете вынимать из него отдельные куски, существенные, и говорить, что надо оставить только пчел, которые приносят мед, то потом выяснится, что еще были нужны и трутни, иначе этот улей умирает. Поэтому роль людей, которые меньше связаны с практическими применениями, может заключаться в том, что они разговаривают с теми теоретиками, которые непосредственно сидят в лабораториях, и в разговоре с этими теоретиками те, кто занимается практическими делами, получают представление о том, что еще можно сделать, какие еще есть теории и возможности.
— Какие у вас планы, что бы вы еще обязательно хотели понять?
— Здесь надо вопрос разделить на то, что я бы хотел понять, и на то, что я считаю необходимым понять. Уверен, что это не одно и то же. То, что вообще должно быть понято — таких вещей огромное количество.
Конкретно в нашей области остались недоделанными множество кусков теории. Я бы очень хотел, чтобы они были доделаны. В том же квантовом эффекте Холла есть понимание того, почему это происходит и как это работает, но никакой теории там не написано. В том смысле, что возьмем электроны, полупроводник, есть магнитное поле. Вот мы помещаем эти электроны в полупроводниках в магнитное поле, вот у нас есть уравнения, вот мы их решаем, и вот мы получили ответ, формулу, которая показывает, что у нас холловское напряжение меняется скачками с изменением магнитного поля. Такой теории по-прежнему нет.
Для себя я бы назвал высокотемпературную сверхпроводимость, теория которой уже с 1986 г. — больше 35 лет — фактически топчется на месте. Причем там приходят такие волны модных теорий, и некоторое время считается, что уже ничего больше не требуется, уже все объяснено. Потом эта волна спадает, начинается следующая волна.
— Почему так происходит?
— Люди, вместо того чтобы подумать, берут существующие теории и просто пытаются их «прикрутить» к новым материалам. Но теории, почему именно эти материалы дают такую высокую температуру сверхпроводящего перехода, все нет и нет.
— Вы ее создадите?
— Это пожелание. А насчет «создадите» — процесс случайный. Если повезет, да. Будет замечательно.