Замороженные звуки
Прежде чем изложить суть недавно
открытого эффекта, обратимся к художественной
литературе. Фантазия писателей, далеких от
физики и химии, даже в средние века, когда эти
точные науки только зарождались, опережала
научные открытия. Известная фраза «сначала было
слово» могла бы в рамках предлагаемого очерка
означать, что сначала была мысль.
Сатирический, полный юмора роман французского
писателя и ученого-гуманиста Ф.Рабле (1494–1553)
«Гаргантюа и Пантагрюэль» более 450 лет входит в
сокровищницу мировой литературы. Не буду
излагать его содержание, поскольку роман с
иллюстрациями Г.Доре по меньшей мере трижды – в
1901 г., 1956 г. и 1987 г. – издавался на русском языке.
Путешествуя весной на корабле близ границы
Ледовитого океана, герои повествования услышали
звуки, которые, как оказалось, зимой застыли, а
при потеплении оттаяли. «Давайте поищем, нет ли
тут слов, которые не оттаяли», – предложил один
мореплаватель. «Вот они, – сказал Пантагрюэль и
бросил на палубу целую пригоршню замерзших слов,
похожих на разноцветные леденцы».
«Одно довольно крупное слово, когда брат Жан
согрел его в ладонях, вдруг лопнуло, словно
каштан, когда его бросают в горячую воду». Однако
путешественники недолго занимались
размораживанием. Поскольку среди оттаявших слов
было много ругательств, а «на корабле и без того в
ругательствах нет недостатка», все собранные
слова выбросили за борт.
Совсем по-иному описал застывшие звуки видный
индийский писатель и общественный деятель
Рабиндранат Тагор (1861–1941). В его рассказе
«Голодные камни» описан заброшенный мраморный
дворец, камни которого по ночам воспроизводили
давно прозвучавшие мелодии и слова.
Приведу небольшой отрывок из рассказа. «Когда-то
дворец был местом, где разыгрывались страшные
человеческие драмы, – здесь бушевали страсти,
пламя неудовлетворенных желаний жгло сердца и в
зловещем огне непрестанных наслаждений сгорали
человеческие души. Сколько проклятий слышали эти
стены – проклятий тех, на чью долю выпали
страдания, чьи надежды были разбиты, чья
страстная любовь осталась безответной. Камни
дворца впитали эти проклятия, и теперь, голодные
и жаждущие, как чудовище, которому долго не
давали есть, они жадно бросаются на каждого, кто
осмеливается приблизиться к ним».
Человек, от имени которого велся рассказ, сумел
спастись, хотя его история осталась
неоконченной.
Рассказчик вместе с Тагором перефразировал
строчки Шекспира: «На земле и в небесах есть
много вещей, друг Горацио, о которых не
сообщается в ваших газетах». В лучшем переводе на
русский язык слова Гамлета звучат так:
«Есть многое на свете,
друг Горацио,
Что и не снилось нашим мудрецам». |
К этому многому, что и не снилось, что
казалось совершенно невероятным, относится и
недавнее открытие.
В
технике уже довольно давно используют слегка
желтоватые монокристаллы ниобата лития LiNbO3.
Это удивительно «талантливый» материал:
сегнетоэлектрик (его диэлектрическая
проницаемость зависит от напряженности
электрического поля, температуры и
предварительной поляризации), пьезоэлектрик (при
механическом воздействии на его противоположных
гранях появляются электрические заряды, а под
действием внешнего электрического поля он
сжимается или растягивается), пироэлектрик
(способен самопроизвольно поляризоваться при
нагревании или охлаждении).
Кристалл содержит особые микроскопические
области – сегнетоэлектрические домены,
различающиеся по направленности поляризации.
Размеры доменов 10–7–10–5 м, или 0,1–10
мкм. Воздействуя электрическим полем, домены
можно перемещать по кристаллу, в сильном поле
направление поляризации всех доменов можно
сделать одинаковым (кристалл становится
монодоменным). При повышении температуры до
определенной величины способность
поляризоваться и образовывать домены пропадает.
У ниобата лития эта температура (точка Кюри)
очень высока и составляет 1210 °С.
Поляризация возникает в результате несовпадения
«центров тяжести» положительных и отрицательных
зарядов в кристалле, небольшого и согласованного
смещения ионов из положения, при котором заряды
полностью компенсируют друг друга.
Химики и материаловеды немало потрудились, чтобы
освоить производство довольно капризных
монокристаллов этого вещества. Получают его
взаимодействием карбоната лития Li2CO3
c оксидом ниобия(V) Nb2O5 при температуре
несколько выше 1000 °С. Недогреть при синтезе
нельзя: реакция не дойдет до конца. Перегревать
тоже опасно: оксид лития заметно более летуч, чем
оксид ниобия, и стехиометрия вещества
нарушается. Последнее особенно заметно при
получении монокристаллов, которое ведут методом
Чохральского (см.: «Химия», 1999, № 9) из расплава при
температурах выше 1300 °С.
Ниобат лития, согласно «Химической
энциклопедии», широко используется в технике в
качестве преобразователей энергии и
звукопроводов (линии задержки, полосовые
фильтры), элементов модуляторов, дефлекторов в
электрооптике, модуляторов лазерного излучения,
пироэлектрических приемников лучистой энергии.
Например, качество изображения цветных
телевизоров зависит от фильтров, убирающих
посторонние сигналы (шум). А основой таких
фильтров являются пластинки из ниобата лития.
Оказывается, ниобат лития способен запоминать
звуки. Новую и неожиданную форму памяти
кристаллов обнаружили физики из университета
Миссисипи (США) М.Мак-Ферсон, И.Островский и
М.Бризил. Снабдив пластинку ниобата двумя
акустическими преобразователями, с одной
стороны пластинки для ввода звуков, а с другой –
для вывода, и проведя измерения, они обнаружили,
что звук задерживается в кристалле. После подачи
на вход импульсного звукового сигнала на выходе
возникает своеобразное эхо, словно звенит
колокольчик, звуки которого постепенно затухают.
Продолжительность задержки была небольшой,
всего 70 микросекунд, при температуре выше 75 °С
эффект не обнаруживался, но при более низких
температурах он воспроизводился.
Звуковая волна, как предполагается, сжимает
кристалл и вызывает смещение ионов. Процесс
похож на сжатие стальной пружины. После
прохождения волны ионы стремятся занять прежние
позиции, запасенная энергия смещения
превращается в звуковые волны. Наличие границ
доменов замедляет процесс, причем домены разной
величины «звучат» по-разному. Сжатая пружина
разжимается не сразу, а отдельными толчками.
Предполагается, что величина эха зависит от
концентрации доменов и что эффект можно будет
использовать для определения качества
кристаллов. Какова действительная природа
эффекта, еще предстоит выяснить. Быть может,
камни действительно заговорят?
Э.Г.РАКОВ
|