Физика твердого тела

Физика твердого тела - одно из основных направлений научной деятельности Томского политехнического университета. Научная школа ТПУ в области физики твердого тела сложилась под влиянием профессора П.С. Тартаковского и его ученика А.А. Воробьева, ректора Томского политехнического института в 1944 - 1970 гг.

Тартаковский П.С. и Воробьев А.А. Создание томской научной школы физики диэлектриков

Тартаковский Петр Саввич был одним из первопроходцев квантовой физики. После переезда из Ленинграда в Томск в 1930-х гг. Петр Саввич начал новый цикл работ, посвященных исследованию внутреннего фотоэффекта в диэлектриках - генерации зонных электронов и дырок под действием ультрафиолетового излучения и возникновению фотопроводимости. К этой работе Тартаковский привлек группу ученых - выпускников Физического факультета Томского государственного университета, среди которых был А.А. Воробьев. Под руководством Тартаковского А.А. Воробьев исследовал внутренний фотоэффект в диэлектриках, преимущественно в щелочно-галоидных кристаллах, в сильных электрических полях. Он наблюдал ударную ионизацию диэлектрика и электрический пробой. Результаты 6-летнего труда П.С. Тартаковского и его коллег были обобщены в монографии "Внутренний эффект в диэлектриках" (1940), которая считается во всем мире классическим трудом по физике электронно-дырочных процессов в диэлектриках. Пятая глава монографии по существу целиком основана на результатах исследований А.А. Воробьева и известного американского физика Артура фон Хиппеля.

Труд П.С. Тартаковского и его первых учеников в Сибирском физико-техническом институте явился той хромосомой, из которой развилась томская научная школа физики диэлектриков, которая сконцентрировалась в основном в Томском политехническом институте.

Исторически первым направлением физики твердого тела, которое начал развивать А.А. Воробьев в политехническом институте, продолжая исследования, выполненные П.С. Тартаковским, была физика электрического пробоя диэлектриков. Были созданы сначала кафедра техники высоких напряжений, затем соответствующий научный отдел, который впоследствии стал Научно-исследовательским институтом высоких напряжений при Томском политехническом институте.

Возникла томская школа физики электрического пробоя (твердых, жидких, газообразных диэлектриков и вакуума). Каждое направление принесло значительные научные и технические результаты.

Второе крупное направление физики твердого тела, которое начал развивать А.А. Воробьев в Томском политехническом институте, - радиационная физика диэлектриков, объектом исследования которой являются процессы в твердых телах под воздействием потоков ионизирующих излучений. Сразу после окончания второй мировой войны начинается интенсивное развитие ядерной физики и техники в связи с проблемами ядерных вооружений и атомной энергетики. Под Томском создается один из крупнейших центров ядерной промышленности, а в Томском политехническом открывается Физико-технический факультет для подготовки специалистов в этой области. Вскоре в 1958 г. по инициативе Воробьева был создан Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте. Один за другим сооружаются источники ядерных излучений: электронные ускорители различных типов - от всемирно известного синхротрона "Сириус", расчитанного на ускорение электронов до 1,5 ГэВ до настольных бетатронов, электростатический ускоритель, микротрон и бетатроны различных калибров; циклотрон, позволяющий ускорять протоны, альфа-частицы и легкие ионы; исследовательский ядерный реактор. В сравнительно короткие сроки Томский политехнический институт входит в десятку мировых центров ядерной физики и техники по уникальному набору разнообразных источников ядерных излучений.

1960-е гг.

В 1961 г. в Томском политехническом институте состоялась первая межвузовская конференция по проблемам радиационной физики твердого тела. В ней участвовало много специалистов из всех регионов страны, многие из которых стали в будущем ведущими в этой области, а томская научная школа радиационной физики диэлектриков - одной из передовых.

Профессор И.Я. Мелик-Гайказян с сотрудниками исследовала возникновение и накопление оптически активных дефектов в щелочно-галоидных кристаллах - центров окраски - под действием разного вида излучений и обнаружила сильное влияние примесей на этот процесс. Известно, что изменение свойств твердых тел под действием излучений происходит именно благодаря возникновению и накоплению дефектов, И.Я. Мелик-Гайказян и доцент С.У. Гольденберг выполнили первые в нашей стране исследования возникновения центров окраски в нитевидных кристаллах, которые обладают высочайшим совершенством (иногда не содержат ни одной краевой дислокации) и механической прочностью.

Были разработаны методы выращивания нитевидных кристаллов из газовой фазы и водных растворов, тонкие физические методы и аппаратура для их исследования.

Исследования процессов создания и накопления центров окраски в ионных кристаллах были продолжены профессором В.М.Лисицыным. Использование методов импульсной абсорбционной спектрометрии с наносекундным временным разрешением позволило ему получать прямую информацию о процессах создания радиационных дефектов и последующих процессах преобразования первичных дефектов в устойчивые.

Впервые было показано, что распад электронных возбуждений приводит к созданию не только нейтральных пар Френкеля, но и заряженных; что эффективность процесса распада электронных возбуждений на пары структурных дефектов зависит от стартового состояния распадающегося электронного возбуждения; что во многих материалах - стеклах, кварце, сапфире - процесс создания дефектов в основном происходит в результате распада электронных возбуждений, но больная часть созданных дефектов аннигилирует за очень короткое время после их образования.

В.М. Лисицын с сотрудниками пришли к созданию модели эволюции первичной дефектности, которая учитывает как собственные характеристики материала, так и условия облучения образца.

Профессора В.А. Соколов и В.В. Стыров исследовали процессы на поверхности твердого тела, сопровождающиеся люминисценцией. Работа Соколова получила активную поддержку со стороны президента АН СССР С.И. Вавилова.

Впервые В.А. Соколовым было открыто нетепловое излучение твердых тел в пламенах. Основные результаты начального этапа исследований его научной школы подытожены им в обзорной статье, опубликованной в "Успехах физических наук" (1952), и монографии "Кандолюминисценция" (Томск, издательство ТГУ, 1967).

В последующем были выполнены исследования на современных экспериментальных установках с использованием атомно-молекулярных пучков исследования раскрыли нетривиальные детали механизмов возбуждения электронной подсистемы твердых тел атомами тепловой энергии. В создание теории неравновесных гетерогенных процессов значительный вклад был внесен профессором кафедры общей физики ТПУ Ю.И. Тюриным.

Полученный обширный экспериментальный материал и наличие теории неравновесных гетерогенных процессов позволили наметить и реализовать интересные практические приложения данных эффектов - твердотельный лазер с химической накачкой, прямое преобразование химической энергии в электрическую и световую, создание избирательных люминисцентных датчиков атомов и молекул, реализация методов аттестации рабочих колб водородных мазеров и пр.

Исследования профессора Д.И. Вайсбурда

За четверть века - с 1944 по 1970 гг., Томский политехнический институт превратился в один из крупнейших мировых центров физики твердого тела. Признаком этого явилось возникновение не одной научной школы, а мегаполиса научных школ и направлений по родственным областям науки и техники. Именно такая среда питает возникновение новых направлений, синтезирующих достижения нескольких "старых".

Так, в конце 1960-х гг. возникло новое научное направление - физика нелинейных процессов в диэлектриках при мощных импульсных радиационных воздействиях, созданное профессором кафедры теоретической и экспериментальной физики Д.И. Вайсбурдом и его коллегами. Вначале они исследовали процессы в треках тяжелых заряженных частиц в щелочно-галоидных кристаллах. Эксперименты проводились на циклотроне в НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте. Была установлена зависимость между трековым эффектом и процессами накопления элементарных дефектов (центров окраски) и их объединения в агрегаты. Это позволило определить ряд важнейших характеристик треков протонов и альфа-частиц в твердых телах. Д.И. Вайсбурдом было предложено промоделировать трековые процессы в натурном эксперименте на диэлектрике с помощью только что появившихся мощных наносекундных источников ионизирующих излучений - лазеров и сильноточных миниус-ускорителей электронов.

В дальнейшем развитии исследований большую роль сыграло содружество с научной школой Г.А. Месяца. Был изготовлен один из первых сильноточных миниускорителей, конструкцию которого разработал Б.М. Ковальчук, и началось исследование процессов в диэлектриках по действием наносекундных электронных пучков высокой плотности.

Д.И. Вайсбурд предложил новый экспериментальный метод исследования, основанный на соединении в одной экспериментальной установке двух и более мощных импульсных источников радиации и сильных электрических полей: сильноточных ускорителей, лазеров, ГИНов и т.д. - синхронизированных с нано- или пикосекундной точностью. Идея метода была основана на том, что первый мощный импульс облучения создает в диэлектрике новую неравновесную фазу из электронных возбуждений и дефектов.

Второй, более короткий импульс облучения или сильного электрического поля, синхронизированный с первым, воздействует только на эту фазу за время ее жизни. Он создает возбуждения этой фазы и позволяет их "увидеть" и исследовать в натурном эксперименте.

Были впервые созданы и описаны в научной литературе две экспериментальные установки. В первой синхронизированы с наносекундной точностью два сильноточных микроускорителя и регистрирующая быстродействующая аппаратура - оптическая, электрофизическая и акустическая. Во второй синхронизированы сильноточный миниускоритель, мощный пикосекундныйлазер и регистрирующая оптическая аппаратура. С помощью созданной аппаратуры был проведен ряд уникальных научных экспериментов. Таким образом, спустя полвека на более высоком методическом уровне был воспроизведен классический эксперимент, впервые выполненный П.С. Тартаковским и А.А. Воробьевым: диэлектрик облучался ионизирующим излучением в сильном электрическом поле.

НИИ ядерной физики и НИИ интроскопии

Крупные фундаментальные и прикладные исследования по другим направлениям, в частности, физике ядра, разработке ускорителей заряженных частиц и их использованию в науке и практике проводились в лабораториях Института ядерной физики, а также Института интроскопии, в котором были сосредоточены работы по созданию и исследованию индукционных ускорителей электронов - бетатронов.

Научно-исследовательский институт ядерной физики (до 1975 г. - Научно-исследовательский институт ядерной физики, электроники и автоматики) был открыт в 1958 г. с целью развития и проведения научно-исследовательских работ в области ядерной физики, а также подготовки научных кадров.

В институте был создан уникальный комплекс ускорителей с широким диапазоном энергий ускоренных частиц: электронный синхротрон на 1500 МэВ, циклотрон с диаметром полюсов 1,2 м, электростатический генератор на 2,5 МэВ, сильноточные электронные и ионные ускорители, криогенное оборудование (разработка бетатронов была передана в НИИ интроскопии). В НИИ ядерной физики при ТПИ был построен исследовательский ядерный реактор на 6 МэВ.

На этих установках проводятся исследования по физике элементарных частиц и ядерной физике, поиску и исследованию новых видов электромагнитного излучения, радиационному материаловедению, сверхпроводимости, разработке и использованию ядерно-физических и атомных методов анализа.

Таким образом, сформировались следующие основные научные направления:

- разработка и создание ускорителей заряженных частиц и других излучательных установок и их использование в науке и практике;

- экспериментальные и теоретические исследования по ядерной физике и физике элементарных частиц.

Современность

Суржиков Анатолий Петрович – доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Отделения контроля и диагностики Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности, главный научный сотрудник Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Томского политехнического университета, Заслуженный деятель науки РФ, является руководителем научной школы «Физика твердого тела: физические явления в диэлектриках и полупроводниках при различных видах энергетического возбуждения».

Литература

Становление и развитие научных школ Томского политехнического университета: Исторический очерк/под ред. Ю.П. Похолкова, В.Я. Ушакова. - Томск: ТПУ, 1996.