Глава III
Центр ядерных исследований в Сакле. Работы по магнетизму и перколяции

П. Эгрен рекомендовал де Жену и Нозьеру делать диссертацию в США. Последовав этому совету, Нозьер с энтузиазмом отправился в лабораторию Давида Пайнса в Принстонском университете для работы над теорией электронного газа при низких температурах. Де Жен получил приглашение от известного американского специалиста в области физики полупроводников (будущего нобелевского лауреата (1998 г.)) Вальтера Кона для занятия в его группе зонной теорией, однако отказался, решив пока остаться во Франции. Некоторые из знакомых Пьера-Жиля думали, что причиной его отказа послужило то, что он был уже женат и имел ребенка, что, естественно, затрудняло переселение за океан. Но последующие события (постдокторская стажировка де Жена в Калифорнии, см. главу IV) показали, что это было не так. В действительности Пьер-Жиль посчитал научную тематику Кона недостаточно пер спективной.

Де Жен ответственно подошел к выбору места для начала своей научной карьеры. Он посетил немало французских лабораторий, находящихся на переднем крае исследований в области физики твердого тела. Самым важным критерием выбора для него была интересная и перспективная тема для будущих научных изысканий. В то же время он стремился найти такую работу, которая бы позволила нормально содержать семью.

В конце своих поисков Пьер-Жиль колебался в выборе между тремя темами для диссертации: электронная структура металлов (у Жака Фриделя), ЯМР (у Анатоля Абрагама), изучение структуры магнетиков методом рассеяния нейтронов (у Андре Эрпена). В то время Фридель работал в парижской школе горных инженеров (École de mines), Абрагам и Эрпен – в Центре ядерных исследований (Centre d’études nucléaires – CEN) при Комиссариате атомной энергетики (Commisariat à l’énergie atomique – CEA).

Научно-исследовательский центр CEN был открыт в 1952 г. в парижском пригороде Сакле, в районе Шеврезской долины. Эта сельская местность с прекрасными пейзажами была выбрана правительством генерала де Голля для создания в ней французского технополиса (его иногда называют «Французской силиконовой долиной»), который конструировался так, чтобы по возможности сохранить сельский ландшафт, вписав в него научные институты и комфортабельные дома для их сотрудников. По соседству с CEN расположились: Южный парижский университет XI (Université Paris-Sud XI), Высшая школа электричества (École Supérieure d’Électricité – Supélec), Политехническая школа (École polytechnique), Высшая школа оптики (École supérieure d’optique), Университетский институт технологии (Institut universitaire de technologie – ШТ), исследовательский центр компании «Alcatel» и другие научные и учебные заведения.

Перед Центром Сакле была поставлена задача изучения различных возможностей применения атомной энергии, как мирных, так и военных. В 1950-е годы он бурно развивался. Там имелась прекрасная аппаратура, в частности, второй запущенный во Франции и существенно усовершенствованный ядерный реактор EL2. Он был в 100 раз мощнее первого французского реактора Zoé, запущенного в 1948 г. [80, с. 34], работал на плутонии и давал мощные пучки нейтронов, использовавшиеся в структурных исследованиях вещества.

В Центре Сакле работали недавно вернувшиеся из США (и приобщившиеся там к «новой физике») молодые талантливые исследователи, такие, как уже упомянутые Абрагам и Эрпен, а также Жюль Горовиц, Альбер Мессиа, Клод Блох и др.

Как писал де Жен о Центре Сакле, ему казалось, что «будущее науки закладывается именно там», и надеялся, что научное сотрудничество с его перечисленными выше незаурядными сотрудниками могло бы быть действительно плодотворным. Он вспоминал: «Я позвонил Жаку Ивону (директор отдела теоретической физики Центра Сакле, ставший в 1970 г. верховным комиссаром СЕА. – А.С.) и сказал ему, что хотел бы посмотреть Центр Сакле, но колеблюсь. Он ответил: “Я посылаю за Вами машину с шофером”. Я был ошеломлен» [76, с. 84].

На Пьера-Жиля произвело большое впечатление посещение лабораторий Центра, реактора и ускорителя. В результате он решил работать над диссертацией именно в Сакле. «Я принял решение под воздействием поверхностного впечатления, но это оказалось хорошим выбором» [76, с. 84].

В октябре 1955 г. де Жена зачислили в Центр Сакле в качестве аспиранта. Руководителями его диссертации стали Ж. Ивон и А. Эрпен, в группе которого и начал трудиться молодой исследователь.

Так стартовала научная карьера Пьера-Жиля. Он был доволен своим местом работы. С одной стороны, де Жен прекрасно ладил с Эрпеном – открытым и забавным человеком, занимавшимся в то время теорией магнитных веществ и впоследствии написавшим книгу на эту тему [81]. С другой стороны, у него установились тесные контакты с Абрагамом и Фриделем – физиками, с которыми он предполагал работать вначале.

Де Жен вспоминал, что общение с Абрагамом было для него «источником необычайного вдохновения» [76, с. 93]. Как и на первом выступлении Пьера-Жиля на семинаре в Нормальной школе (см. главу II), Абрагам и в Центре Сакле не оставлял начинающего исследователя в покое. Он часто заходил в офис к молодому ученому и озадачивал его разными вопросами – иногда, чтобы проверить его научную эрудицию, а иногда просто для забавы. Де Жен вспоминал: «Однажды он пришел и задал мне вопрос, касающийся ядерной релаксации в присутствии парамагнитной примеси. В руках у него была статья одного грузинского физика на эту тему, и он попросил меня воспроизвести приведенные в ней выкладки» [76, с. 93–94]. Молодой теоретик никак не мог вникнуть в суть принесенной статьи, но был убежден, что Абрагам в очередной раз испытывает его, поэтому упорствовал. Раздумья над этим сюжетом заставили Пьера-Жиля вспомнить о работе знаменитого Энрико Ферми, в которой тот рассматривал более общую ситуацию. С помощью статьи Ферми де Жену за несколько недель удалось глубоко вникнуть в суть статьи грузинского физика и решить анализируемую в ней задачу упрощенным способом. При этом он рассмотрел более общий случай присутствия в образце нескольких примесей. Так Пьер-Жиль окончательно завоевал уважение требовательного Абрагама и был удостоен особой чести проверять рукопись книги «Принципы ядерного магнетизма», над которой тот тогда работал [82].

Вообще Абрагам был требователен не только к де Жену. Маститый ученый наводил ужас на всех без исключения молодых исследователей. Такой уж был у него характер! «Когда он приходил на семинар и не находил его интересным, то удалялся из зала не позднее, чем через десять минут. Он делал это без злобы, но его уход выводил из строя многих докладчиков», – вспоминал Пьер-Жиль [76, с. 93].

С Ж. Фриделем де Жен впоследствии общался и плодотворно сотрудничал в течение всей своей жизни. Фридель вырос в семье ученых. Его дед Жорж был знаменитым кристаллографом, а отец Эдмон – известным специалистом в области рентгеноструктурного анализа (см. главу VI).

Вот как Ж. Фридель вспоминал о своем знакомстве с Пьером-Жилем: «Я впервые встретил де Жена, когда беседовал с Абрагамом на территории кампуса Сакле. Это было, скорее всего, в 1955 г., когда я начал работать консультантом у Гризона в отделе металлургии Центра Сакле. Де Жен недавно закончил парижскую Высшую нормальную школу и прошел небольшую стажировку в тогда быстро растущей лаборатории полупроводников Эгрена. Я познакомился с Абрагамом в Оксфорде… и тогда мы только что вернулись из наших стажировок за границей, получив британские PhD. Де Жен отвесил мне глубокий поклон и похвалил мою статью 1952 г., посвященную примесям в металлах. По его тону чувствовалось, что ему не терпится тоже что-нибудь опубликовать и достичь нашего, как ему казалось, высокого положения в жизни. На самом деле как раз в этот момент Абрагам жаловался мне на то, насколько трудно было ему организовать экспериментальную лабораторию в Сакле. А у меня тогда вообще был лишь маленький кабинет в парижской Школе горных инженеров, и я только начинал преподавать, не имея вообще в перспективе возможности обзавестись лабораторной комнатой. Казалось, что выражение “родился слишком поздно в слишком старом мире” было тогда хорошо применимо к каждому из нас троих, хотя на самом деле у нас были хорошие карты для продолжения игры» [83, т. 1, с. 1].

Большое влияние на становление Пьера-Жиля как ученого оказало и его общение с вышеупомянутым К. Блохом – теоретиком, специалистом в области ядерной физики. Вот как отзывался о нем де Жен: «Это был сильный физик с развитым воображением. К несчастью, он умер слишком молодым (в 48 лет. – А.С.), не оставив после себя тех работ, которых бы следовало ожидать от него» [76, с. 93].

Все сотрудники группы теоретика Эрпена были экспериментаторами. Эрпен не вмешивался в работу своего аспиранта и предоставлял ему полную свободу заниматься теорией. Лишь один раз он попытался предложить Пьеру-Жилю попробовать сделать экспериментальную работу, что закончилось полным фиаско.

В тот день Эрпен (как он это иногда делал) обедал со своими коллегами Бернаром Жакро, Даниэлем Крибье и де Женом в одном из их любимых небольших ресторанчиков, располагавшихся в окрестностях Сакле. Это был день, когда подавали паштет, который Пьер-Жиль обожал. Он вспоминал: «В то время Шеврёзская долина еще не была застроена. В ресторане нам приносили огромное блюдо домашнего паштета, которого мы съедали столько, сколько душе было угодно. Тогда я всегда был голоден, как волк, и ел за четверых. Однажды, к несчастью, нам подали небольшие порции паштета, разложенные по тарелкам, что нас сильно разочаровало» [76, с. 97].

На обеды часто приглашали иностранных гостей. В описываемый день вместе с французами в ресторане был Роман Смолуховский, металлург из Принстонского университета. Он жаловался, что у него нет ни одного экспериментатора, который мог бы заняться изучением разрушений, вызываемых ос-облучением в вольфрамовой проволоке. Тогда Эрпен и предложил де Жену взяться за эту проблему.

Задание оказалось не из легких. Вначале Пьеру-Жилю потребовалось собрать все необходимые для эксперимента материалы, которые ему пришлось заимствовать в нескольких соседних лабораториях. Когда, наконец, он смог поместить вольфрамовую проволоку в ускоритель Ван де Граафа, случилось несчастье. Пьер-Жиль случайно подставил свой глаз под пучок ос-частиц. В результате он получил сильный ожог, после которого даже рисковал лишиться глаза, однако ему повезло, и все в конце концов обошлось благополучно.

Подлечившись, де Жен снова, уже с гораздо большей осторожностью возобновил свои опыты, но опять без особого успеха. Он впоследствии говорил: «Из всего этого следовал вывод, что мне лучше было бы вообще не заниматься экспериментом» [76, с. 98].

После этого случая Пьер-Жиль окончательно понял, что его призвание – теория и уже больше никогда не пытался экспериментировать. Тем не менее небольшой опыт работы в области экспериментальной физики, несомненно, был для него полезен. Он показал молодому ученому всю сложность экспериментальной деятельности и позволил ему в дальнейшем (как он сам признавал) с пониманием общаться с коллегами-экспериментаторами. Более того, со временем постоянное тесное сотрудничество с экспериментаторами стало одной из главных особенностей научного стиля де Жена.

На ядерном реакторе Центра Сакле велись многочисленные исследования структуры вещества с помощью пучков нейтронов. Однако общие принципы теории рассеяния этих частиц казались де Жену уже достаточно хорошо разработанными. Его привлекли нейтронные эксперименты, проводимые на магнитных веществах (например, железе и никеле). Ими в группе Эрпена (впервые во Франции) занимались уже упомянутый тридцатилетний Бернар Жакро (в свое время закончивший престижную Политехническую школу) и его помощница Магда Эриксон (в девичестве – Галула).

Имеющие нулевой электрический заряд нейтроны обладают, тем не менее, магнитными моментами, которые могут взаимодействовать с магнитными моментами атомов вещества (связанными с круговыми токами движения электронов по орбиталям и их спинами). Таким образом, рассеяние нейтронов в магнетиках может дать информацию не только о расположении атомов в веществе, но и об ориентации в нем магнитных моментов. Так, именно с помощью рассеяния нейтронов в 1949 г. [84] было продемонстрировано существование теоретически предсказанной в начале 1930-х годов Неелем^[21] и независимо от него Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем антиферромагнитной фазы (с антипараллельным упорядочением магнитных моментов) [см., например: 85; 86, с. 237–242].

Нейронограммы, полученные для одного и того же магнетика (оксида марганца, MnO) в антиферромагнитной (при T = 80 К) и парамагнитной (при T = 300 К) фазах [84], изображены на рис. 1.

В первом случае наблюдались дополнительные пики (указаны стрелками), характерные для антипар аллельного упорядочения магнитных моментов.

Во время работы над своей диссертацией де Жен довольно редко посещал ядерный реактор, однако молодой теоретик не ограничивался только сидением в кабинете. Он регулярно обсуждал свои научные результаты с Б. Жакро, который вспоминал: «Наши офисы располагались по соседству. Мы очень часто разговаривали друг с другом. Можно было сказать, что мы образовывали настоящий бином теоретика и экспериментатора» [76, с. 87].

Итак, Пьер-Жиль стал думать над теорией рассеяния нейтронов в магнитных материалах. Все лето 1955 г., находясь на семейной ферме в Орсьере, вместо того чтобы по своему обыкновению бродить по горным тропам или охотиться на сурков, он изучал работы известного бельгийского физика-теоретика Леона ван Хова. В только что вышедшей и ставшей впоследствии классической статье по рассеянию нейтронов в магнитных материалах ван Хов показал, что поведение ферромагнетика вблизи температуры Кюри аналогично поведению жидкости вблизи критической температуры (при которой исчезает разница между жидкостью и ее паром) [87].

Это обстоятельство было подтверждено и де Женом. В своей диссертации он указывал на следующие аналогии между магнетиком и жидкостью вблизи критической точки: плотность намагниченности соответствует плотности вещества; магнитное поле – давлению; магнитная восприимчивость – сжимаемости; корреляция спинов – позиционной корреляции [2].

Итак, уже в этой ранней квалификационной работе проявилось еще одно свойство, характерное для его будущего научного стиля, – стремление к доказательству универсальности, казалось бы, совершенно разнородных физических явлений, к поиску аналогий между ними.

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 < T_C (T_N), где T_C и T_N – соответственно, температуры Кюри и Нееля), а также для парамагнитной фазы (при T > T_C (T_N)), однако не давала точных результатов в непосредственной близости к критической точке. Этот пробел был впоследствии ликвидирован американцем Кеннетом Вильсоном с помощью развитого им подхода ренормализационной группы (см. также главу IX).

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]