- Деталі
- Перегляди: 14900
Академік Соломон Ісаакович Пекар
Академік АН УРСР С.І.Пекар належить до плеяди видатних фізиків-теоретиків, чиї праці формують підмурівок сучасної теорії твердого тіла. Відзначаючись великою глибиною і ясністю, роботи С. І. Пекара є основоположними в цілому ряді напрямків. З його ім’ям пов’язано декілька найважливіших відкриттів у фізиці твердого тіла, теорії випрямлячів і автолокалізованих станів електронів, названих ним “поляронами”. Хвилі Пекара, “пекаріан”, передбачення безфононної лінії ввійшли до фізики як класичні результати, й сьогодні є джерелом нових ідей та досягнень.
Соломон Ісаакович Пекар народився 16 березня 1917 року в Києві. Його батько був правником, мати – вчителькою. У 1933 році він вступив на фізичний факультет Київського університету. В ті роки спеціалізації в галузі теоретичної фізики в університеті не існувало, але лекції читали помітні теоретики Г. Бек і Н. Розен. Студенти, які прагнули спеціалізуватися з теоретичної фізики, навчалися на кафедрі електрофізики, очолюваній Н. Д. Моргулісом, а практику проходили в теоретичному відділі Ленінградського фізико-технічного інституту АН СРСР. Цим відділом керував Я. І. Френкель, і тут у Соломона Ісааковича зав'язалися перші наукові контакти з фізиками-теоретиками.
Прагнення до самостійної наукової роботи виявилося у С.І. Пекара ще в студентські роки. Тоді він виконав роботу зі знаходження функції розподілу електронів в плазмі газового розряду за наявності непружних втрат. Робота доповілася на сесії Відділення фізики АН СРСР в 1938 році й викликала гарячі суперечки й дискусії, переможцем у яких виявився молодий студент.
Закінчивши в 1938 році університет, С. І. Пекар розпочинає роботу в Інституті фізики АН УРСР, розробляючи теорію випрямлення на контакті метал—напівпровідник. Одночасно він учиться в аспірантурі під керівництвом І. Є. Тамма. Вибір теми значною мірою визначався напрямом експериментальних робіт у цьому інституті. Теорія випрямлення тоді перебувала в центрі уваги багатьох видатних фізиків. С. І. Пекару в роботах 1939—1941 рр. вдалося розвинути найзагальнішу теорію випрямлення в монополярній системі. Істотне просування було досягнуте в області сильних струмів через контакт: одержано точний розв’язок задачі й передбачений неординарний ефект — перехід в запірному шарі від режиму збіднення до режиму збагачення в міру зростання оберненого зсуву на контакті. Майже зразу ж цей ефект був підтверджений експериментально. Робота С. І. Пекара здобулася на високу оцінку. Після її обговорення на своєму семінарі Л. Д. Ландау сказав: «У Києві відбулося самозародження теоретичної фізики». На захисті кандидатської дисертації в травні 1941 року 24-річному С. І. Пекару на пропозицію В. Є. Лашкарьова, І. Є. Тамма і Я. І. Френкеля був відразу присуджений ступінь доктора фізико-математичних наук.
Наукові зв'язки, що зародилися в той час у С. І. Пекара з такими видатними теоретиками, як Я. І. Френкель, І. Є. Тамм та Л. Д. Ландау, а потім і М. М. Боголюбов, зміцнювалися в подальші роки. Соломон Ісаакович завжди прагнув обговорити з ними наукові проблеми, що цікавили його, а також одержані ним нові результати. Особливо тісні наукові зв'язки встановилися в нього з Л. Д. Ландау, на семінарах якого він прагнув «апробувати» свої основні роботи. Зближенню з Л. Д. Ландау багато в чому сприяла робота С. І. Пекара над теорією поляронів.
У роки війни в Уфі, де працювали багато співробітників Інституту фізики АН УРСР, С. І. Пекар концентрує зусилля на розробці напівпровідникових приладів, необхідних для фронту. Тоді ж розкрилися й нові грані його таланту — він виявив себе як здібний інженер і конструктор. Розв'язані ним технологічні проблеми дозволили істотно інтенсифікувати виробництво напівпровідникових випрямлячів.
У 1944 році, після повернення до Києва, С. І. Пекар захоплюється задачею про сильну взаємодію електрона з кристалічною ґраткою. На той час в цій області існувала єдина робота Л. Д. Ландау (1933 р.), в якій була висловлена ідея про можливість «захоплення» електрона ґраткою. Соломон Ісаакович запропонував дивовижно витончену модель сильного зв'язку електрона з ґраткою — електрон взаємодіє з макроскопічним полем поляризованої ґратки іонного кристала, — і побудував у рамках цієї моделі повну теорію нового типу квазічастинок, які він назвав поляронами: полярон — це «одягнений» полем поляризованої ґратки електрон, який рухається по ґратці, супроводжуваний поляризаційною «шубою». Маса такої квазічастинки значно перевищує масу «голого» електрона, і її тепловий рух є повільним. Тому Пекар назвав ці частинки автолокалізованими. Він показав, що зонні стани нестійкі, утворення поляронів не вимагає подолання потенційного бар'єру і вони є основними носіями струму. Полярон став тією «перлиною», навколо якої С. І. Пекаром і його учні в подальші роки створили теорію широкого класу явищ, пов'язаних з електрон-ґратковою взаємодією: різні типи автолокалізації, вплив ґратки на електронні стани домішкових центрів тощо. Оцінюючи ці роботи, Я. І. Френкель писав у 1948 році: «... вражає фундаментальність трактування і точність одержаних результатів. Ці роботи увійдуть до історії фізики як класичні. Вони, поза сумнівом, є найзначнішими з робіт, опублікованих радянськими фізиками-теоретиками за останні роки».
При оцінці значення, яке мало створення теорії поляронів, потрібно розрізняти два різні аспекти її впливу на розвиток сучасної фізики.
Перший з них — загальнотеоретичний. Теорія поляронів була сформульована С. І. Пекаром як континуальна теорія, що зробило її ідеальною моделлю для теорії поля. Першу роботу з теорії поляронів С. І. Пекар опублікував у 1946 році, тобто за декілька років до появи праць Ю. Швінгера і Р. Фейнмана, що дали могутній імпульс розвитку квантової електродинаміки. Ця робота Пекара виявилася вельми своєчасною, і значення теорії поляронів як найпростішої моделі теорії поля було незабаром усвідомлено всіма теоретиками. Сам Соломон Ісаакович зосередив свої зусилля на випадку сильного зв'язку, який описується в адіабатичному наближенні. Тоді в теоретичній фізиці адекватний апарат для опису такої ситуації був відсутній, і С. І. Пекар його створив. Рівняння Пекара для основного стану полярона і формула Ландау — Пекара для ефективної маси полярона посідають у цій теорії центральне місце. Розроблений С. І. Пекаром апарат став першим прикладом популярних зараз класичних розв’язків рівнянь нелінійної теорії поля, а вивчена ним адіабатична границя відповідає непертурбативній теорії, не формульованій на мові діаграмної техніки. М. М. Боголюбов першим оцінив роль полярона в теорії поля, назвавши його алмазом, який математичною шліфовкою повинен бути перетворений на діамант, і створив спільно із С. В. Тябліковим (1952 р.) оригінальний підхід до адіабатичної теорії частинки, пов'язаної з квантованим полем. Розвинений ними формалізм є адекватною основою для отримання вищих наближень в теорії поляронів, зокрема для побудови теорії їхньої рухливості.
У подальші роки Н. Фреліх переформулював теорію поляронів у рамках стандартного формалізму теорії поля і розвинув теорію слабкого зв'язку. Т. Д. Чі, Ф. Е. Лоу і Д. Пайнс запропонували перший варіант теорії поляронів з проміжним зв'язком, а Р. Фейнман створив стосовно теорії поляронів свій варіаційний метод, що одержав згодом широку популярність. Завдяки всім цим роботам теорія поляронів стала одним з основних каналів, крізь які могутні методи теорії поля почали проникати в теорію твердого тіла, збагативши її апарат.
Другий аспект значення розвинених ідей — це вплив теорії поляронів на фізику твердого тіла. До робіт С. І. Пекара взаємодію з ґраткою розглядали або як причину розсіяння (причому вважали, що в проміжках між актами розсіяння електрон рухається як вільний), або як чинник, що призводить до «захоплення» електрона ґраткою, внаслідок чого частинка повністю локалізується. Вирішальний крок був зроблений в роботах С. І. Пекара 1947—1948 рр., де розглядалася можливість поступального руху автолокалізованого електрона — носія струму. У роботі Л. Д. Ландау і С. І. Пекара 1948 року була обчислена ефективна маса полярона. Значення цієї роботи важко переоцінити.
Успіх теорії поляронів сильного зв'язку спричинив дедалі ширший потік досліджень у всьому світі. Ми зупинимося тільки на деяких роботах, виконаних в подальші роки С. І. Пекаром і його співробітниками. В рамках моделі адіабатичного зв'язку спільно з І. М. Дикманом була побудована теорія автолокалізації екситонів Ван’є—Мотта. У 1951 році була розвинена (спільно з М. Ф. Дейгеном) теорія автолокалізації електронів у неполярних кристалах і показано, що автолокалізація відбувається лише в тому випадку, якщо константа зв'язку перевищує деяке порогове значення, причому радіус автолокалізованих станів завжди є порядку сталої ґратки. При виконанні цієї роботи, практично одночасно з Дж. Бардіном і В. Шоклі, був сформульований метод деформаційного потенціалу. Значне місце в подальших дослідженнях посіла теорія поляронів при проміжному зв'язку з фононами. Здійснення робіт в цьому напрямі диктувалося як внутрішньою логікою розвитку теорії, так і експериментом. Тому актуальним виявилося створення в 1957 році С. І. Пекаром (спільно з В. М. Буймистровим і М. О. Кривоглазом) ефективних методів проміжного зв'язку.
До робіт з теорії поляронів тісно примикають роботи С. І. Пекара 1949—1953 рр. з теорії домішкових центрів, що взаємодіють з ґраткою. Результатом цих робіт стала загальна теорія форми спектрів поглинання і люмінесценції таких центрів. Побудована Пекаром характерна крива, що описує форму спектрів домішкових центрів, які взаємодіють з бездисперсійними оптичними фононами, одержала в світовій літературі назву “пекаріан”. При дослідженні взаємодії з фононами з довільною дисперсією частот коливань, у 1953 році (спільно з М. О. Кривоглазом) вдалося, зокрема, передбачити існування в домішкових спектрах надзвичайно вузької безфононної лінії. Аналогічна лінія в рентгенівських спектрах внутріядерних переходів була експериментально відкрита і теоретично пояснена Р. Мессбауером в 1958 році й відразу набула великого значення. Роль безфононних ліній в оптичних спектрах визначилася в останні десятиліття, після розвитку методів селективної спектроскопії високого розрізнення, що дозволили виключити велике неоднорідне розширення.
Сучасна теорія твердого тіла немислима без теорії поляронів. А ядром у ній, як і раніше, залишаються роботи З. І. Пекара 1946—1948 рр., що вражають своєю естетичною досконалістю.
Другий великий цикл робіт С. І. Пекара пов'язаний з відкриттям додаткових хвиль в кристалах. Він був започаткований статтею «Теорія електромагнітних хвиль у кристалі, в якому виникають екситони», опублікованою в 1957 році. Для того, щоб пояснити значення цієї роботи, почнімо із зауваження, що носить історичний характер. Неймовірно, але факт, що впродовж перших 25 років свого існування теорія електронних екситонів будувалася виключно як квантовомеханічна, де електродинамічні ефекти не враховувалися. І це попри те, що в динаміці іонних ґраток, де поляризаційні фонони можуть повною мірою розглядатися як «коливальні екситони», електродинамічні ефекти традиційно враховувалися і в різній формі вивчалися в роботах М. Борна і М. Гепперт-Майер, К. Б. Толпига, К. Хуанга. Світломеханічні коливання — поляритони, що виникають при врахуванні електродинамічних ефектів, увійшли до підручників. Просте перенесення електродинамічного підходу на електронні екситони було чисто технічною проблемою — воно не було пов'язане з принциповими труднощами. Проте С. І. Пекар помітив важливу кількісну відмінність між електронними і коливальними екситонами, яка призводить до цікавого фізичного явища — виникнення нових гілок у спектрі електромагнітних хвиль, названих ним додатковими. Додаткові хвилі Пекара виникають поблизу екситонних резонансів, у знаменнику дисперсійної формули яких частотні члени майже повністю скорочуються і тому набуває значення член, пов'язаний з кінетичною енергією екситона, що містить його імпульс. У результаті порядок дисперсійного рівняння електронного поляритона, тобто гібрида «фотон-екситон», підвищується і в нього з'являється новий корінь - він і відповідає додатковим хвилям. Відмінність електронного і коливального екситонів виявляється в тому, що в електронних екситонів типові значення ефективних мас на два порядки менші, ніж у коливальних (і, отже, кінетичні енергії при тому ж імпульсі на два порядки більші). Саме завдяки цій мализні маси довжина хвилі для відповідних додаткових хвиль потрапляє в макроскопічну область і тому це явище може бути повністю описане в рамках макроскопічної електродинаміки.
Таким чином, у статті 1957 року була по суті побудована кристаллооптика екситонів з урахуванням запізнювання і одержаний абсолютно новий фізичний результат — передбачені додаткові хвилі. При цьому була чітко вказана область спектру, в якій їх слід було шукати. Результат вражав уже хоча б тому, що лінійна кристаллооптика здавалася завершеною дисципліною, підтвердженою впродовж сторіччя численними експериментами. Несподіваність одержаного результату образно висловив А. І. Ансельм, який сказав: це все одно, що «знайти білий гриб на Невському проспекті».
З розвиненої теорії випливала низка наслідків, що допускають пряму експериментальну перевірку. Серед них, окрім самого факту існування додаткових хвиль, — можливість сильної дисперсії діелектричної проникності в області, в якій практично відсутнє поглинання, проходження світла через кристал в діапазоні частот, що традиційно вважався областю повного віддзеркалення (аналог області «залишкового проміння» в кристалооптиці ґрати) тощо. Виник і ряд теоретичних питань, пов'язаних з тим, як «вписати» теорію додаткових хвиль у макроскопічну кристаллооптику. Ці питання викликали жваві дискусії, що в свою чергу привертали увагу багатьох помітних фізиків до виниклих проблем. Однозначно вирішилося питання про характер змін, які слід внести у феноменологічну теорію, щоб описати виникнення додаткових хвиль. Причина їхньої появи, що полягає в залежності енергії екситона від його квазіімпульсу, на мові феноменологічної теорії трактується як просторова дисперсія діелектричної проникності, тобто як її залежність від хвильового вектора фотона. Але на відміну від слабкої просторової дисперсії, яка існує в широкому діапазоні частот і обумовлює природну оптичну активність у нецентрально-симетричних кристалах (тобто призводить до поправок до закону розповсюдження звичайних хвиль), просторова дисперсія поблизу екситонних резонансів настільки сильна, що є причиною виникнення нових хвиль. Важливо також, що для внесення її в тензор діелектричної проникності не досить лишень знати симетрію кристалічного класу кристала, але слід також враховувати симетрію конкретного екситонного переходу. Тому феноменологічний опис у цьому випадку неминуче повинен включати дані, нерозривно пов'язані з мікроскопічною теорією. Значно складнішим виявилося питання про додаткові крайові умови, яке неминуче виникло в зв'язку з тим, що врахування просторової дисперсії збільшує порядок системи максвеллівських рівнянь. С. І. Пекар запропонував адекватний розв’язок задачі про додаткові крайові умови.
У 1986 році піонерська робота С. І. Пекара 1957 року про додаткові хвилі в кристалах була офіційно визнана відкриттям. Активні дослідження С. І. Пекара в галузі оптики кристалів у області екситонного поглинання тривали в 60-й і 70-й роки і були узагальнені в монографії «Кристалооптика і додаткові світлові хвилі» («Наукова думка», 1982 рік).
Водночас велику увагу в цей період С. І. Пекар приділяв розвитку нових напрямів досліджень, заснованих на висловлених ним оригінальних ідеях.
У 1965 році Соломон Ісаакович опублікував роботу, в якій висунув ідею посилення або генерації ультразвука в неп'єзоелектричному кристалі, заснованої на електрострикційній взаємодії деформації із зовнішнім електричним полем. Ефект особливо великий для кристалів з великою діелектричною проникністю і може перевищувати аналогічний ефект при інших механізмах електрон-фононної взаємодії. Цікаво, що в сучасних наноструктурах, де реалізуються дуже високі електричні поля, Пекарівський електрон-фононний механізм відповідає за релаксацію енергії електронів при низьких температурах.
У 1966—1969 роках С. І. Пекар (спільно з В. М. Мальневим) виконав цикл робіт з дослідження властивостей газів з високою концентрацією електронно-збуджених атомів (молекул). Було показано, що в таких системах істотну роль може відігравати диполь-дипольна взаємодія, значно сильніша, аніж взаємодія Ван дер Ваальса. Встановлено, що в газах з високою концентрацією збуджених частинок відхилення від неідеальності розпочинаються вже при невисокому тиску, можуть відбуватися фазові переходи в стани, що характеризуються розшаруванням газу на дві фази з різною густиною збуджених частинок, можлива конденсація та інші ефекти. Ці роботи поклали початок дослідженням фотофаз речовини і переходів між ними.
У 1969 р. С. І. Пекар запропонував принципово новий тип газових лазерів, дія яких заснована на використанні фотостимулюючих хімічних реакцій. Ідея Пекара заснована на можливості стимулювання елементарних актів хімічних реакцій, при яких електронна перебудова початкових молекул, які зазнають зіткнень (що призводить до утворення продуктів реакції), супроводжується фотопереходом. Фотони відповідної частоти викликають вимушені фотопереходи і стимулюють такі реакції, що призводять у свою чергу до появи нових фотонів.
С. І. Пекар був наділений яскравим і оригінальним талантом. Він виявився і у виборі тем його основних робіт, і в підході, який він застосовував для розв’язку задач. Зв'язки його праць з іншими роботами того часу спочатку були зовні непомітні, роботи здавалися начебто ізольованими, незрозуміло як виниклими. Але минало декілька років і картина змінювалася. Тісний зв'язок із сучасністю ставав очевидний, чітко виявлявся і вплив робіт Пекара на інших дослідників, і вже здавалося незрозумілим, чому необхідність такої роботи не була очевидна відразу.
Соломон Ісаакович мав рідкісний склад розуму, який дозволяв йому будувати свої роботи і оцінювати чужі не зіставленням їх з іншими роботами останнього часу, а виходячи з «перших принципів». Він кожного разу логічно проходив усю низку міркувань від «засад» до певної конкретної роботи. Це дозволяло йому, уникаючи поширених помилок чи хибних уявлень, знаходити найбільш послідовний хід думки.
Значення діяльності С. І. Пекара визначається не тільки його науковими результатами. Він був блискучим педагогом і багато уваги приділяв вихованню молодих учених. Ця сторона його діяльності призвела до створення першої школи фізиків-теоретиків у Києві. У 1944 році С. І. Пекар відродив кафедру теоретичної фізики в Київському університеті, а в 1948 році при цій кафедрі вперше була створена спеціалізація, що готує фізиків-теоретиків. Курси лекцій з теоретичної фізики, які читав Соломон Ісаакович, справили величезний вплив на декілька поколінь студентів фізичного факультету університету, залучивши їх до основ сучасної науки. Його лекції відзначалися надзвичайною ясністю і глибиною і часто були подією для слухачів.
Одночасно С. І. Пекар створив і очолив теоретичний відділ в Інституті фізики АН УРСР, а з 1960 року — в Інституті напівпровідників АН УРСР.
В 1960 р. С. І. Пекар був вибраний академіком АН УРСР.
Навколо нього гуртується група співробітників і аспірантів. Учні Соломона Ісааковича і учні його учнів склали основу колективів теоретиків у Києві, Кишиневі, Донецьку. Багато теоретиків, що працюють сьогодні в провідних наукових установах не лише колишнього Союзу, а й усього світу, зараховують себе до «школи С. І. Пекара».
За ініціативою і під керівництвом С. І. Пекара протягом тридцяти років регулярно проводилися Всесоюзні наради з теорії напівпровідників, що справили великий вплив на розвиток досліджень у цій галузі й на виховання молодих теоретиків.
Наукові заслуги З. І. Пекара відзначені обранням його академіком АН УРСР у 1961 році, Державною премією УРСР 1981 року. Він був нагороджений орденом «Знак Пошани», двома орденами Трудового Червоного Прапора.
Життя Соломона Ісааковича, зовні позбавлене яскравих подій, не було легким. Навіть у перші післявоєнні роки, коли блискучі наукові досягнення створили навколо нього своєрідний ореол, йому нерідко доводилося розтрачувати сили в боротьбі з науковим консерватизмом, відстоюючи для себе і свого відділу право займатися справою, яка згодом одержала загальне визнання. Але Соломон Ісаакович ніколи не втрачав оптимізму, внутрішньої бадьорості, присутності духу. Всі ці якості були скеровані на роботу, і до такої ж зосередженої, цілеспрямованої роботи він прагнув привчити своїх співробітників. Це завжди робилося м'яко, без натиску, особистим прикладом. І так він працював майже до самого кінця, до смерті, що спіткала його 8 липня 1985 року.
Цей нарис залишився б незавершеним, якби в ньому не було згадано чудові особисті, суто людські якості С. І. Пекара. Соломону Ісааковичу завжди були притаманні вражаюча цілісність, незалежність думок, глибока принциповість, відсутність суєтності, духовна чистота. Ці якості створили особливу наукову й етичну атмосферу навколо нього, особливо у відділі теоретичної фізики. Він завжди уникав дрібних адміністративних конфліктів, але був непримиренний в питаннях принципових: при оцінці рівня і якості наукових робіт, при виборі наукової тематики, при вирішенні долі молодих науковців. Саме ці якості С. І. Пекара відкрили шлях у науку багатьом молодим теоретикам, визначили їхній науковий стиль та етичні критерії. При обговоренні наукових проблем він був вимогливий і справедливий, прагнув виявити слабкі місця обговорюваних робіт і тут таки надати максимальну допомогу для подолання виниклих труднощів. Особливо вимогливим Соломон Ісаакович був до власних робіт, у яких ретельно продумував всі деталі. Не будучи людиною «контактною», що легко і швидко встановлює прості відносини з малознайомими людьми, він водночас був дуже доброзичливий і внутрішньо демократичний. Ці чудові людські якості Соломона Ісааковича повною мірою розкривалися перед тими, хто мав щастя близько його знати.