2. Экспериментальные исследования

В работе Кобеко и Курчатова [40] сделана попытка объяснить аномалии в величине е высоковольтной поляризацией диэлектриков. Такая точка зрения представлялась авторам вполне закономерной, поскольку неучет существования поляризационных слоев в диэлектриках, как это было им хорошо известно из работ А. Ф. Иоффе и своих собственных исследований, приводит к тому, что определенная по значениям емкости конденсатора величина ε оказывается чрезвычайно сильно завышенной. Неудивительно поэтому, что в предисловии Курчатова к его книге [38] указывалось, что работы по сегнетовой соли "непосредственно примыкали к ряду исследований автора и П. П. Кобеко над явлениями высоковольтной поляризации, входившими в цикл вопросов, изучавшихся в лаборатории акад. А. Ф. Иоффе" [38, с. 7].

Последовательно развивая и улучшая методику измерения распределения потенциала вдоль пластины сегнетовой соли, помещенной в конденсатор, авторы в процессе дальнейших исследований показали, что рассматриваемый эффект не связан с высоковольтной поляризацией. Кобеко и Курчатов разработали технологию получения больших по размерам беспримесных кристаллов сегнетовой соли. Опираясь на опыт своих работ по изучению электрических свойств диэлектриков, они вместо контактов в виде тонкой фольги, приклеиваемой на поверхность кристалла соли, перешли к электродам из ее насыщенного раствора, который "прижимается" к образцу давлением столбика ртути. Благодаря этому приему при измерении е в зависимости от градиента потенциала советским физикам удалось получить однозначные и воспроизводимые результаты, а также уточнить значения е, достигавшие в их первых экспериментах величины 10⁴. Был исключен и наблюдавшийся Валашком эффект усталости, когда величина ε уменьшалась со временем, в течение которого на конденсатор подавалось напряжение.

Существенным в работе [40] было прямое указание на ту роль, которую может играть ориентация диполей в кристалле сегнетовой соли в наблюдавшихся явлениях. Это заключение было сделано авторами, исходя из температурной зависимости эффектов. Казалось бы, ориентация диполей в кристалле сегнетовой соли, т. е. в твердом теле, невозможна. Однако в это время начинают развиваться представления о диэлектрической поляризации, связанной с движением молекул. Так, авторам [40] были хорошо известны опыты Эрреры (1924 г.) со льдом и диметилсульфатом, в которых был установлен этот эффект [45].^* Это позволило им думать, что аналогичные процессы могут происходить и в сегнетовой соли.

^* (И. В. Курчатов познакомился с И. Эррерой на конференции по физике твердых тел в Ленинграде (сентябрь 1932 г.). Бельгийский ученый выступил с докладом [46], в котором, в частности, излагал результаты исследований Кобеко и Курчатова по сегнетоэлектричеству, причем подчеркивал их основополагающий характер. На конференции с докладом о сегнетоэлектриках выступил и Курчатов [см. 47].)

В 1930 г. Л. Паулинг разработал теорию, описывающую переход движения молекул твердых тел от качаний (колебаний) вокруг положения равновесия к вращениям. В свете этой теории можно было ожидать существования скачка в величине диэлектрической постоянной твердой соляной кислоты (НСl), который и был зафиксирован в работе И. В. Курчатова и Г. Я. Щепкина [48].

В ряде исследований, выполненных в 20-30-е годы в ЛФТИ, изучалась корреляция между механическими и электрическими характеристиками кристаллов. К числу этих работ относится и исследование Курчатова и Бернашевского [49] по униполярной поляризации сегнетовой соли, впервые упомянутой еще Валашеком. Однако лишь в работе [49] это явление подверглось тщательному изучению. Авторы выдвинули гипотезу о том, что униполяр-ность связана с механическими несовершенствами кристаллов соли. Работая с электродом в виде тонкой полоски, они как бы сканировали поверхность поперечного сечения исследуемого ими образца, последовательно "прощупывали" его. При этом оказалось, что отдельные участки (слои) кристалла характеризуются сильной униполярной поляризацией, скрадывающейся при измерении всего образца с помощью электрода, покрывающего всю площадь сечения. После прогрева кристалла и последующего медленного его охлаждения (отжига), "коэффициент униполярности" существенно снижался. Авторы упоминают о том, что учеником и сотрудником Курчатова М. А. Еремеевым проводились исследования свойств кристаллов сегнетовой соли при всестороннем сжатии. При этом были получены данные о смещении точки фазового перехода, предварительно оцененном Курчатовым на основании учета только одного из влияющих на это смещение факторов.

Поведение диполей в структуре сегнетовой соли исследовалось в работе [50]. Для изучения кинетики поляризации во внешнем поле, т.е. переориентации диполей (в пределах домена), авторы использовали импульсную методику подачи напряжения на образец. В те годы, как это уже упоминалось ранее, отсутствовали стандартные генераторы коротких импульсов, поэтому создание установки, обеспечивающей подачу на образец импульса напряжения длительностью в 10^-9 с, требовало большого экспериментального искусства. Описание установки и контрольных опытов, подтвердивших ее работоспособность, занимает большую часть статьи [50]. Оказалось, что при таких длительностях величина диэлектрической постоянной остается достаточно высокой; отсюда следовало, что период колебаний диполей меньше продолжительности импульса. Конфигурация доменов, или "колонн", как называл их Курчатов, вытянутых вдоль одной из осей кристалла сегнетовой соли, изучалась позднее [38]. В духе исследований доменов ферромагнетиков [38] предпринималась попытка найти соотношение между размерами домена и линейными размерами всего образца (размерный эффект) и описать процессы поляризации и деполяризации сегнетовой соли.

В лаборатории И. В. Курчатова. 1933 г.: слева направо: Г. Я. Щепкин, И. В. Курчатов, М. А. Еремеев

К работе [50] примыкает небольшое исследование [51], в котором изучалась анизотропия сегнетовой соли - существование аномально высокой поляризуемости лишь в одном из кристаллографических направлений. В этой работе значение е по всем трем осям измерялось в широком интервале температур (от - 180 до 40 °С).

При изучении явлений сегнетоэлектричества естественно было задаться вопросом, какие особенности структуры кристалла и какие составляющие его химические элементы ответственны за специфические сегнетоэлектрические свойства. Стоит заметить, что, хотя кристаллофизика и выделяет необходимые для этого 10 полярных классов симметрии кристаллов, они отнюдь не являются достаточными, а на сам этот кардинальный вопрос и сейчас не существует однозначного ответа. В порядке его поисков Курчатов, Кобеко и их сотрудники (М. А. Еремеев и Б. В. Курчатов) изучали свойства кристаллов сегнетовой соли с примесями - изоморфные кристаллы сегнетовой соли с примесями натрорубидиевой(NaRbС₄Н₄O₆-4Н₂O) и натроталлиевой (NaTlC₄H₄O₆-4H₂O) солей винной кислоты [52]. Оказалось, что 0.25% таких добавок в несколько раз снижает величину е, измеренную вдоль "оси поляризации", а 0.5% - в 10-20 раз. Таким образом, ответственными за "ориентацию" поляризации являлись только диполи, содержащиеся именно в сегнетовой соли, а в аммонийнатриевой соли NaNH₄C₄H₄O₆·4H₂O вообще отсутствовал "сегнетоэлектрический эффект". Эти представления подвергались дальнейшему исследованию и обсуждению [53, 54].