Поиск пульсаций
Яклевич и Ламбе решили выяснить, можно ли наблюдать небольшие пульсации тока даже в обычных металлах при температуре выше жидкого гелия. Некоторые теоретики предсказывали их существование, но Яклевич и Ламбе были уверены, что к предсказаниям теоретиков следует относиться с большой долей скепсиса. Физика необычна тем, что люди в этой области обычно занимаются либо теорией, либо экспериментами, и редко тем и другим одновременно. Экспериментаторы посмеиваются над кабинетными генералами, которые посылают их на бессмысленные задания или объявляют невозможным то, что иногда оказывается очень простым. И наоборот, теоретики часто высмеивают хваленых радиолюбителей, которые, наткнувшись на гениальную идею, имеют дерзость сомневаться, стоит ли тратить годы, чтобы проверить ее опытным путем. Впрочем, чаще всего они не могут жить друг без друга.
Чтобы проверить гипотезу о существовании небольших, но существенных пульсаций в линейной кривой электротока, Яклевичу и Ламбе пришлось создать более качественные «переходы», как теперь стали называть устройства типа «металл-изолятор-металл». Им нужно было получить туннелированный ток, регулируя толщину изолятора. Слишком сильный ток – сгорит изоляционный слой, слишком слабый – сигнал будет трещать, как в дефектной телефонной линии, и ничего не поймешь. Яклевич создавал переходы, Ламбе конструировал чрезвычайно сложную электронику, необходимую для измерения тока и изменения напряжения. Затем они приступили к экспериментам. Их усовершенствованные, чистые, бесшумные приборы позволили им использовать гораздо более высокое напряжение. До сих пор все, кто подходил к краю этого пруда, позволяли себе лишь несколько милливольт (1000 милливольт = 1 вольт) с каждой стороны из опасения повредить устройство. Они смело стали усиливать ток, и в итоге их тонкие «переходы» смогли выдерживать напряжение вплоть до 1000 милливольт.
И тут они обнаружили нечто удивительное. Пульсации появились, и в большом количестве. Но не в тех местах, которые предсказывали теоретики. Они модифицировали свою методику, чтобы более четко видеть пульсации на гладком фоне
[71]. Некоторое время они рассматривали схему пульсаций, и вдруг их осенило. Схема выглядела так же, как спектр колебаний! Но чего? Яклевич вскоре понял, что спектр пульсаций весьма близок спектру колебаний жидкости под названием формвар, которую он использовал для растворения лака, изготавливая «переходы». Однако оставался большой вопрос: каким образом пульсации появляются на кривых тока: это все равно, что телепередача CNN появится на вашей чайной чашке. Но они с Ламбе вскоре догадались, в чем дело.
Поскольку спектр был похож на спектр испаряющегося растворителя, они предположили, что каким-то образом небольшая часть его должна оседать на изолирующем слое сэндвича-перехода. Молекулы растворителя попадают под перекрестный огонь туннелированных электронов, проносящихся сквозь них с обеих сторон изоляционного слоя. Некоторые электроны врезаются в молекулы, и от удара они начинают звенеть, как гонг. Но это квантовый гонг, явление одновременно незнакомое и простое, если понять его принцип. Представьте электроны, влетающие на пустой этаж через пролет. Большинство из них пролетают, ничего не касаясь, но некоторые попадают в одинокие молекулы. От удара энергия электрона переходит в молекулу, сам электрон падает на несколько энергетических уровней, после чего продолжает свою деятельность на другой стороне.
Теперь речь пойдет о квантах. Все эти трюки электрона типа «взлет-падение-взлет» проходят только в том случае, если все выстроено очень точно. Прежде всего, электрон не может упасть на произвольное количество этажей, падение должно энергетически соответствовать колебанию молекулы (вспомните: флейты, а не фортепьяно). Дело в том, что молекула в состоянии поглотить лишь такое количество энергии, которое соответствует одному из ее собственных колебаний. (Эта энергия, кстати сказать, похожа на звук гонга, постепенно переходящего в тепло
[72].) Во-вторых, после падения он должен оказаться напротив пустого этажа, иначе начнет рваться назад и вернется на тот этаж, с которого упал. Более того, в таком случае колебания не будет.
Вот здесь и возникают пульсации: по мере повышения напряжения электроны сначала продолжают свой обычный горизонтальный полет, потому что для колебания молекулы нужно иметь определенный минимум энергии. Затем, когда разность напряжения создает энергию, достаточную для создания самого слабого колебания молекулы, некоторые электроны переходят в режим «взлет-падение-взлет». Когда разность напряжения создает энергию, вызывающую второе колебание, к процессу «взлетов-падений-взлетов» подключается еще больше электронов. Вы усиливаете ток, и к тому моменту, когда он достигает 0,5 вольта, что соответствует волновому числу 4000, несчастные молекулы растворителя, как Вуди Аллен в оргазмотроне
[73], уже подвергаются безумной щекотке, и каждое из их колебаний помогает электронам пролететь на другую сторону. Разумеется, общее количество тока больше, чем если бы в промежутке не было молекул растворителя, потому что каждая молекула действует как трамплин; у электронов возникает гораздо больше возможностей перебраться из одного куска металла в другой, и они непременно ими пользуются.
На волосок от запаха
После того как Яклевич и Ламбе со всем этим разобрались, у них появился прекрасный повод гордиться собой. Одним махом они открыли новый механизм взаимодействия электронов: процесс «взлета-падения-взлета» получил название «неупругое туннелирование электронов». В качестве бонуса они также придумали совершенно новый способ измерения молекулярных колебаний, лишенный недостатков рамановской и инфракрасной спектроскопии, в частности, селективной слепоты оптических устройств в отношении некоторых молекулярных колебаний. Неплохо для двухлетней работы. Любопытно отметить, что появился слух (возможно, не без злого умысла), будто бы их первая схема пульсаций возникла из-за масла вакуумного насоса, которое случайным образом попало на их «переходы». Эта липкая история, вероятно, связана с ожиданиями компании Ford Motor, которая хотела поучаствовать в этом деле, но, как с сожалением сказал мне Яклевич, это абсолютная неправда. На самом деле, они в шутку пробовали использовать масло для этой цели, но у них ничего не получилось, поскольку вакуумные масла предназначены, как можно догадаться, для того, чтобы предотвратить любое испарение.
Яклевич вспоминает, что у них были большие надежды на эту новую методику как инструмент для химиков-аналитиков, но они не оправдались. Устройства типа «металл-изолятор-металл» и тогда, и сейчас довольно сложно изготавливать и, вероятно, химику проще приобрести рамановский и инфракрасный спектроскопы, чем пытаться создать туннелирующий. Когда я разговаривал с Яклевичем о тех временах, он спросил, почему меня, биолога, это интересует, и я объяснил, что вижу в этом потенциальную связь с запахами. «О, – воскликнул он, – мы думали об этом!» В этот момент я, слегка обидевшись на то, с какой легкостью он это произнес, признался, что весьма удивлен. Яклевич очаровательно ответил: «Видишь ли, мы были весьма сообразительны, и эта мысль как-то сама возникла в ходе дискуссии». И что было дальше? Яклевич вспоминает: «У Форда были три химические лаборатории, и мы часто общались с соседями. Мы обсуждали с ними этот вопрос, и кто-то сказал, что запах молекулы может зависеть от ее формы».
