Магнитный мир

Эффект для будущего научной школы профессора Бучельникова

Можно ли получить волну ультразвука в ферромагнетике довольно экзотическими способами с помощью электромагнитного поля либо же «научить» магнитные системы вырабатывать экономичными способами необходимое тепло или холод?!

Это не абстрактные вопросы. Технологии прорыва требуют применения тончайших физических эффектов в широкой практике цивилизации. Когда-то применение огня, рычага, колеса, электричества, энергии атома тоже казалось беспочвенной фантазией! В Челябинском госуниверситете успешно действует научная школа изучения физики магнитных явлений профессора Василия Бучельникова, где закладываются основы прорывных технологий и создаются первые образцы техники будущего.

«Песнь» магнитного поля

Для человека, далекого от проблем физики, покажется невероятной сказкой, что магнитное поле можно не только увидеть в виде узоров порошка из железа вблизи магнита, но даже… услышать! Это именуется магнитоакустическими эффектами. Ее Величество квантовая механика позволила ученым понять суть происходящих процессов на электронном и атомном уровнях в глубинах вещества. В обиходе у физиков, занимающихся конденсированным состоянием вещества, есть необычайные объекты, квазичастицы, то есть «как бы частицы»-фононы, магноны и другие.

Фононы это аналог звуковых волн на невообразимо крошечных масштабах: волновые колебания около положения равновесия атомов, ионов, их групп в кристаллической решетке. Эффекты такой фононовой волны можно рассчитать при единственно возможном, хотя и «безумном» с точки зрения «здравого смысла» и классической физики предположении: считать волны частицами. А магнон — магнитная квазичастица. Точнее, квазичастицами!

Может возникнуть естественный вопрос: а в жизни-то какой прок от знания, что есть такие экзотические квазичастицы?

Самолет и человек-невидимка

Квантовая теория твердого тела отвечает положительно на мечту писателя-фантаста Герберта Уэллса о человеке-невидимке. Это стихия магнитоакустики, электродинамики и магнитооптики, чем и занимаются ученые научной школы профессора Бучельникова.

Сам он в мировой науке величина известная и авторитетная среди физиков-теоретиков: доктор наук, Соросовский профессор, получивший рекордное для ученых России число грантов фонда Сороса (шесть за шесть лет!). Приверженец научной школы академика Льва Ландау, когда-то на физфаке МГУ постигал науку у многих соратников и учеников знаменитого Дау. Автор более двухсот работ в области фундаментальной физики магнитных явлений. В одном из научных журналов «JMPEE», США был даже причислен совершенно официально к классикам!

— В аспирантуре МГУ темой диссертации была как раз магнитоакустика, — говорит Василий Дмитриевич. — Темой докторской тоже. На Урале сотрудничал с научной школой академика Вонсовского, авторитета физики магнетизма. Сергей Васильевич и стал моим «крестным», был тогда председателем научного совета по защите докторских диссертаций.

— Тогда и была развита теория метаматериалов, способных быть невидимыми для луча радара, для электромагнитной волны в диапазоне видимого света и для звуковой волны акустического радара-сонара. Мы, как теоретики, преследовали чисто научный интерес, но нет ничего практичней, чем основательная теория! Рано или поздно «добыча теоретиков» находит применение в практике. Технология самолетов-невидимок «стелс» (Stealth) основана в том числе на этих теоретических работах! Невидимкой может стать и человек. Теоретически мы уже представляем, какими должны быть материалы — «идеальное зеркало» (коэффициент отражения сто процентов), либо «невидимка» (коэффициент отражения ноль). Дело далее за физиками-экспериментаторами и нуждами практики.

Повторяю, один из вариантов стать невидимкой предлагает магнитоакустика: в толще специального материала набегающая электромагнитная волна (видимый свет — лишь один из ее вариантов) превращается в акустическую, а также еще и огибает тело, покрытое метаматериалами. Видите, как все просто с точки зрения квантовой физики! И не нужно, подобно герою писателя Герберта Уэллса, чтобы стать невидимкой какими-то порошками намазываться! Надел халатик со шлемом и…  исчез. Практическая реализация дело будущего, главное — фундаментальная физика на «эффект невидимки» категорического запрета не ставит, наоборот, подсказывает путь решения этой проблемы.

Путь физика-теоретика

— Не надо думать, что все так просто, я лишь показал вам качественную сторону решения проблемы, — говорит профессор Бучельников. — В физике магнитных явлений, в квантовой теории твердого тела множество сложных, тончайших эффектов, которые бывает  невозможно объяснить людям без серьезной физико-математической подготовки.

— Непрост и сам путь становления физика-теоретика. Мне повезло на замечательных наставников, ставших затем внимательными, добрыми, но и в то же время требовательными коллегами. В теоретическую физику по чьей-то рекомендации, тем более по протекции попасть невозможно, требуется громадный труд и полная самоотдача в науке. О стремлении к каким-то лаврам и наградам следует забыть напрочь!

— Повезло и в том, что когда заканчивал школу в поселочке под Качканаром, сестра подарила популярную брошюру «Квазичастицы. Что это такое?» Настолько был тогда поражен, что теория квазичастиц стала моей темой в науке, а профессор Моисей Каганов, автор этой книжки, так круто изменившей мою судьбу, затем стал в МГУ моим наставником, потом старшим коллегой-единомышленником. Например, в соавторстве с ним и другими вышла солидная монография «Электромагнитное возбуждение звука в металлах».

— Последние годы несколько отошел от исследования одной лишь только магнитоакустики, — продолжает профессор Бучельников. — Это направление передал по эстафете своим ученикам-продолжателям. Горизонты квантовой физики твердого тела поистине безбрежны! Последние годы вплотную занят теорией магнитокалорических эффектов (МКЭ).

Магнит: тепло и холод

Среди всего богатства и разнообразия магнитных эффектов квантовая физика и теория фазовых переходов дарит нам чудо превращения энергии  магнитного поля в… тепло и холод! Это как раз и есть эффект МКЭ.

Сам МКЭ был открыт еще в 1881 году в чистом железе физиком-экспериментатором Э. Варбургом. Долгие десятилетия магнитному охлаждению широкого применения не находилось, лишь в 1933 году физикохимики из Калифорнийского университета в Беркли Уильям Джиок и Дональд МакДугалл сумели использовать магнитное охлаждение для получения в условиях лаборатории невероятно низких, рекордных температур. Они первыми на планете столь вплотную приблизились к абсолютному нулю температуры: достигли 0,25 градуса Кельвина! Без МКЭ столь экстремального состояния вещества достичь невозможно. Работа была оценена Нобелевской премией за 1949 год.

Сегодня работы по МКЭ вышли из разряда узкоакадемического интереса. Одни из лидеров в мире — челябинские ученые научной школы профессора Бучельникова. Тончайший квантово-механический эффект с успехом, оказывается, может работать в сверхэкономичном энергетически, по сути «вечном» холодильнике на… обычной кухне! Самая свежая новость от группы ученых и инженеров-разработчиков «магнитного холодильника» профессора Бучельникова: они получили статус резидента инновационного центра «Сколково». Одни из немногих в регионе. Кроме налоговых и прочих льгот, наши земляки теперь получили право подавать заявку на получение сколковского гранта для доведения лабораторной модели «магнитного холодильника» до промышленного образца.

Очень успешными были доклады уральцев на научной конференции в Гренобле. Там выступили профессора Василий Бучельников и Сергей Таскаев, доцент Владимир Соколовский и аспирант Михаил Дробосюк. О совместных работах с уральцами в будущем выразил желание мировой лидер по магнитному охлаждению — фирма «Саmfridqe» из университетского Кембриджа.

Александр Чуносов