Пьер-Жиль де Жен. 1932–2007
Шрифт:
Опираясь на подход ван Хова, Пьер-Жиль развил теорию рассеяния нейтронов в ферромагнитной и парамагнитной фазах [см., например: 3, 4], а также теории Нееля и ван Флека [22] [см., например: 85, 88], описывающие поведение ферромагнетиков и антиферромагнетиков вблизи температуры перехода в парамагнитное состояние [см., например: 5, 6].
Подход де Жена хорошо предсказывал температурное поведение флуктуаций магнитного момента в ферромагнитной и антиферромагнитной фазе (при T < TC (TN), где TC и TN – соответственно, температуры Кюри и Нееля), а также для парамагнитной фазы (при T > TC (TN)), однако не давала точных результатов в непосредственной
22
Ван Флек Джон (1899–1980) – американский физик-теоретик, работавший в области магнетизма, лауреат Нобелевской премии (1977 г.).
В своих расчетах Пьер-Жиль принимал во внимание не только взаимодействие соседних магнитных моментов, но и корреляции между пространственно удаленными моментами. Для него было удивительно то, что, например, такой маститый ученый, как ван Флек, не учитывал этого «дальнодействия».
Пьер-Жиль решил проверить на практике правомерность учета корреляции магнитных моментов на больших расстояниях. Он рассуждал так. Если суммарное намагничивание магнетика определяется только взаимодействием магнитных моментов ближайших соседей, то тогда картина рассеяния нейтронов не должна зависеть от ориентации и модуля волнового вектора падающего пучка. Проведенные Д. Крибье эксперименты показали, что так оно и есть, т. е., что прав ван Флек. Однако де Жен снова и снова проверял свои расчеты и продолжал настаивать на своей правоте. В конце концов в итоге большой работы Крибье удалось обнаружить в своих экспериментах артефакт: используемые для измерений образцы сильного ферромагнетика (фторида марганца – MnF2) содержали протоны, которые и вносили ошибку в результаты опытов. Оказалось, что картина рассеяния нейтронов все-таки зависела от волнового вектора и что прав был Пьер-Жиль.
Де Жен впервые встретился с ван Флеком в 1958 г. Впоследствии он вспоминал: «Это был пожилой господин – доброжелательный и колоритный. У него обнаружились неожиданные увлечения. Например, он помнил наизусть расписания многих поездов. Он знал, что для того чтобы добраться из Лондона до Бирмингема, надо сесть на поезд, отправляющийся в 18.57. Он также обожал американский футбол. Когда мы снова, через несколько лет, увиделись в Гарварде, он притащил меня на матч – там была даже команда девушек чирлидинга – и объяснил мне правила игры. Тогда ему уже было за семьдесят, но он болел с таким азартом! Я всегда испытывал привязанность к нему. Близкие называли его “ван”…» [76, 89–90].
Полученные де Женом теоретические результаты по рассеянию нейтронов в парамагнитной фазе хорошо согласовывались с экспериментальными данными М. Эриксон [7], что позволило им защитить диссертации практически одновременно.
Диссертационная работа Пьера-Жиля называлась «Вклад в исследование магнитного рассеяния нейтронов». Он выполнил ее всего за два года и защитил в декабре 1957 г. на факультете науки Сорбонны. Жюри, перед которым де Жен представлял свою диссертацию, состояло из одних маститых ученых. Это были Франсис Перрен (сын Жака Перрена, см. главу I), профессор Коллежа де Франс и верховный комиссар СЕА, и уже упоминавшиеся И. Рокар, Ж. Фридель и Л. Неель.
Защита была чистой формальностью. Предварительно ознакомившиеся с рукописью де Жена члены жюри единодушно высоко оценили ее. Однако сам автор считал, что лишь следовал дорогой, проложенной ван Ховом, и только развил ряд его расчетов (осуществив работу, которую, по его мнению, мог бы сделать любой теоретик).
Диссертация де Жена состояла из пяти глав и приложений. В первой главе давался литературный обзор наиболее значимых теоретических работ по рассеянию нейтронов в магнитных материалах. Во второй – развивалась теория рассеяния нейтронов в парамагнитной фазе. В третьей главе рассматривалось поведение флуктуаций магнитных моментов вблизи температуры Кюри в ферро- и антиферромагнетиках (с использованием уже упоминавшейся аналогии с поведением жидкости вблизи критической точки). В четвертой – анализировалась динамика флуктуаций. В пятой главе описывалось коллективное возбуждение магнитных моментов в ферромагнетиках – так называемые спиновые волны, предсказанные Ф. Блохом [23] и Д. Слейтером [24] [89, 90]. В приложениях рассматривался ряд специальных вопросов, таких как: неупругое рассеяние нейтронов в магнетиках, магнитная восприимчивость в постоянном неоднородном поле, анализ корреляции флуктуаций магнитных моментов на больших расстояниях.
23
Блох Феликс (1905–1983) – швейцарский физик, работавший главным образом в США (Нобелевская премия по физике за 1952 г.).
24
Слейтер Джон Кларк (1900–1976) – американский физик и химик-теоретик.
Диссертацию Пьер-Жиль закончил с присущей ему иронией, – на последней странице работы посередине огромными буквами было напечатано одно слово: «FIN» («КОНЕЦ»).
После защиты де Жен продолжил работать в Центре Сакле уже в должности инженера-исследователя. В 1958–1959 гг. он с успехом развил теорию рассеяния нейтронов в жидкостях [8]. Де Жен также занимался
25
Спинтроники – твердотельные материалы для квантовой электроники, обладающие свойством спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта). В частности, такой перенос реализуется в гетероструктурах ферромагнетик-парамагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.
Интерес к этой задаче в молодом исследователе пробудил Ж. Фридель. В конце 1950-х годов Фридель практически еженедельно бывал в Центре Сакле, где у него установились прочные научные контакты с группой Эрпена. Во время таких визитов Фридель (по уже упомянутому заведенному обычаю) нередко обедал вместе с членами группы в одном из простых деревенских ресторанов в округе.
Де Жен, как правило, держался несколько отстраненно, не вступая в ведущиеся его молодыми коллегами дискуссии о физике и политике. Однако Фридель каждый раз находил возможность пообщаться с начинающим теоретиком, замечая его широкий кругозор и живой интерес к физике твердого тела. Как-то он рассказал Пьеру-Жилю о своих тогдашних работах по редкоземельным металлам. Фридель вспоминал: «Де Жен был немногословен. Однако через десять дней я встретил его у входа в Люксембургский сад на бульваре Сен-Мишель (в Париже. – А.С.). Он как раз нес ко мне в находящуюся неподалеку школу горных инженеров свою статью на эту тему (работа называлась «Аномалии сопротивления в некоторых магнитных металлах». – А.С.)… Он настоял, чтобы я также был его соавтором» [83, т. I, с. 4].
В этой чрезвычайно быстро написанной статье де Жен снова воспользовался аналогией (на которую ему указал Ж. Фридель) между рассеянием нейтронов на магнитных моментах вещества и взаимодействием электронов проводимости с магнитными моментами атомов в редкоземельных металлах [9]. Он предложил простую физическую модель, объясняющую резкое падение сопротивления в ферро- и антиферромагнитных редкоземельных веществах. Действительно, при высоких температурах, когда такое вещество находится в парамагнитной фазе, атомарные магнитные моменты в нем разупорядочены. При этом движение электронов проводимости в кристалле затруднено из-за взаимодействия с магнитными моментами, и сопротивление образца высокое. С понижением температуры и переходом вещества в ферро- или антиферромагнитное состояние наблюдается упорядочение атомарных магнитных моментов: параллельное в ферромагнетиках или анти-параллельное в антиферромагнетиках. В результате магнитные моменты теперь практически не рассеивают электроны проводимости и последние перемещаются в кристалле свободно. При этом сопротивление образца резко уменьшается.
Рис. 2
Подобное поведение удельного сопротивления хорошо согласовывалось с экспериментом. На рис. 2 приведены температурные зависимости относительного удельного сопротивления ?/?0 [см.: 9]. На нем сплошные линии – теоретические кривые, рассчитанные для различных значений 5-суммарного магнитного момента кристаллической решетки. Прерывистая кривая (–) —
экспериментальные данные для Gd, точечная (…) – для AuMn, TC – температуры Кюри (для Gd) и Нееля (для AuMn), ?0 – удельное сопротивление при T > TC.
В это же время Пьер-Жиль впервые в жизни стал «микрошефом». А. Эрпен доверил молодому теоретику научное руководство студентом – Жаком Вилленом [26] .
Де Жен поручил Виллену расчеты рассеяния нейтронов вблизи критической точки на более сложных, чем те, что изучались в его диссертации, антиферромагнитных системах (некоторых магнитных сплавах). Виллен с энтузиазмом взялся за эту работу и быстро пришел к мысли, что магнитные моменты в таких веществах могут образовывать спиральные структуры [27] . Сам де Жен не додумался до этого, но мысль его подопечного показалась ему интересной. Он целиком отдал пальмы первенства своему студенту, отказавшись быть соавтором его публикации на эту тему [91].
26
Виллен Жак (род. в 1934 г.) впоследствии станет известным физиком-теоретиком, академиком.
27
Спиральные структуры в антиферромагнетиках были предсказаны независимо и одновременно (в 1959 г.) Ж. Вилленом и двумя другими физиками-теоретиками – японцем Акио Ёшимори и американцем Томасом Капланом.