Иттербий
Если мы захотим пересчитать все острова Стокгольмского архипелага, то нас будут ждать большие проблемы, главная из которых – их количество. Даже если не считать за остров совсем уж крохотные кусочки суши, возвышающиеся над холодными водами Балтийского моря, то таких всё равно наберётся больше двадцати тысяч! Но среди всех этих островов есть один – Ресарё, который часто вспоминают химики и при случае стремятся его посетить. Особенно это желание обостряется после присуждения Нобелевской премии, которую каждый год вручают в центре самого Стокгольма, что всего лишь в сорока минутах езды от Ресарё (некоторые острова архипелага соединены мостами). Так что же такого особенного на этом небольшом острове?
А находится там маленькая деревушка Иттербю, в которой, в свою очередь, располагалась шахта по добыче кварца и полевого шпата. И в минералах из этой шахты были впервые обнаружены четыре новых химических элемента, получивших название в честь той самой деревушки: эрбий, тербий, иттрий и иттербий. Думаете это всё? А вот и нет! Ещё шесть новых элементов были обнаружены в минералах из этой местности. Правда, доступные варианты названий в виде производных от шведской деревни, видимо, закончились, и поэтому элементы получили свои имена в честь скандинавских территорий и одного финского исследователя. Но поговорим сегодня мы об элементе с самым «иттербюйским» названием – иттербии.
Ресарё – один из тысяч похожих друг на друга скандинавских островов, но для химиков он особенный. Фото: Bengt Nyman/Flickr.com CC BY 2.0
В чистом виде иттербий – обычный металл без каких-либо выдающихся свойств. Ни жаропрочностью, ни твёрдостью он похвастаться не может. А если учесть все трудности, связанные с его получением, то можно вполне справедливо задаться вопросом – а что с ним, собственно говоря, делать? Однако даже металлическому иттербию можно найти применение.
Например, поместить иттербий поближе к ядерному реактору, где под действием потока нейтронов стабильный изотоп иттербия-168 превратится в уже нестабильный изотоп иттербий-169. Радиоактивный иттербий испускает гамма-лучи, поэтому его используют в качестве источника излучения в разных приборах. Взять, к примеру, такой метод определения микротрещин и других дефектов в металлах, как гамма-дефектоскопия. Суть этого метода довольна проста. Металлы задерживают излучение, достаточно лишь вспомнить, как выглядит металлические предметы на медицинских рентгеновских снимках. Если же в металле есть трещина или скрытая полость, то она становится своего рода проводником для гамма-лучей, в результате чего больше излучения проходит сквозь металл, что и фиксируется прибором.
Результаты сварки ответственных деталей обязательно подвергаются контролю. На фото: рабочие заваривают технологические отверстия внутри бака для жидкого водорода сверхтяжёлой ракеты-носителя SLS. Фото: NASA/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Теперь ненадолго переместимся в уже знакомый нам Стокгольм, но в 2004 год. Американский физик Фрэнк Вильчек вместе с двумя другими исследователями получает из рук короля Швеции премию за «открытие асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий». Спустя восемь лет, уже в 2012 году, Вильчек задался вопросом о возможности спонтанного нарушения временной симметрии. В результате чего придумал интересный воображаемый объект – темпоральный кристалл.
Что же это такое, и при чём здесь иттербий? У обычных кристаллов, да и у многих других предметов есть свойства пространственной симметрии. Если мы возьмём обычный куб и повернём его ровно на 90 градусов, то он совместится сам с собой. Аналогичного эффекта можно добиться, если отразить куб в зеркале: отзеркаленный куб ничем не будет отличаться от своего брата-двойника. Чем более симметричен объект, тем большим числом вращений и поворотов его можно совместить самого с собой. Но здесь идёт речь о пространственной симметрии. А что, если от симметрии в пространстве перейти к симметрии во времени, где объект совпадает сам с собой, но уже не при поворотах, а при прохождении определённого отрезка времени?
Симметричные объекты окружают нас повсюду, взять хотя бы опору линии электропередач. Фото: f1uffster (Jeanie)/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Примерно такой объект, получивший название темпоральный кристалл, и придумал Вильчек. Научная общественность восприняла подобные измышления без особого энтузиазма, нашлись даже люди, доказавшие теорему о невозможности существования подобного объекта. Однако в теории осталась лазейка, всё-таки позволявшая существовать темпоральному кристаллу при определённых условиях. Многие исследователи не оставили попыток получить его на практике. И в 2018 году у двух групп исследователей получилось создать что-то похожее.
В одном из опытов десять атомов иттербия поместили в ловушку и подсветили двумя лазерами. Первый лазер задавал такт изменения магнитных моментов атомов, а второй вносил в систему немного хаоса, давая возможность атомам случайным образом взаимодействовать друг с другом. Система из атомов иттербия переходила между одинаковыми состояниями с периодом в два раза большим, чем период лазерной накачки. Кроме того, система «сопротивлялась» изменению частоты лазера. Получился ли у физиков темпоральный кристалл или это какой-то другой неизученный эффект из области неравновесных систем – покажут дальнейшие исследования.
Фрэнк Вильчек, птица археоптерикс и его книга «Фантастические реальности: 49 мысленных путешествий и поездка в Стокгольм». Фото: Betsy Devine/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Однако вернёмся к более химическим темам. Довольно часто химиков представляют как людей в белых халатах, которые что-то там постоянно взрывают у себя в лабораториях. И пусть это на 99% совсем не так, но взрывам и эффектным опытам с горением тоже есть место в химической науке. А ещё удивительнее, что даже такому редкому и довольно дорогому металлу, как иттербий, нашлось применение в пиротехнических экспериментах. Наверняка вы видели, как на авиационных шоу самолёты при выполнении фигур высшего пилотажа выпускают красивые яркосветящиеся ракеты. На парадах эти ракеты используются для красоты, а в действительности же это ложные тепловые цели. Они служат для того, чтобы вражеская ракета, ориентирующаяся по теплу, испускаемому реактивным двигателем самолёта, приняла за цель не его, а цель-обманку. А для этого обманка должна гореть ярче и быть горячее настоящего двигателя.
Рецепт состава, который должен своим горением имитировать двигатель, обычно включает следующие ингредиенты: порошок магния и перфторированные углеводороды, вроде такого широко известного материала как тефлон. При сгорании подобной смеси металлический магний «отрывает» атомы фтора у тефлона, превращаясь в крайне устойчивый фторид магния. Весь этот процесс сопровождается выделением большого количества тепла и попутным сгоранием оставшихся обесфторенных кусочков молекул тефлона и избытка магния. Оказалось, что иттербий ведёт себя аналогично и тоже отлично сгорает в смеси с тефлоном, и даже по ряду параметров превосходит в это деле магний.
Истребитель СУ-27 из пилотажной группы Русские Витязи выпускает ложные тепловые цели. Фото: Yuriy Lapitskiy/Wikimedia Commons CC BY-SA 2.0
Ну и напоследок о, наверное, самой важной на сегодняшний день области, где используют иттербий – лазеры. За более чем полвека, прошедших с изобретения первого лазера, физики перепробовали огромное количество разных способов получить лазерное излучение. Существуют лазеры на рубине, на углекислом газе, на растворах красителей, твердотельные лазеры и ещё десятки и сотни вариантов конструкции и принципов работы. Нет разве что лазера на огурцах (впрочем, не исключено, что и такие когда-нибудь придумают, ведь физики умеют шутить).
Одно из современных направлений в лазерной технике – это иттербиевые лазеры, а если быть точным, то лазеры на иттербийсодержащих материалах. Они более мощные, более эффективные, чем их предшественники – лазеры на основе неодима. Честно говоря, рассказать в двух словах о том, как устроен хотя бы твердотельный лазер и чем отличается лазер на иттербии от лазера на том же неодиме, никак не получится. Поэтому посмотрим на эти лазеры немного с другой стороны.
Читателю, далёкому от лазерной физики, может показаться, что отличие неодимового лазера от иттербиевого состоит всего лишь в одном химическом элементе. И возникает вполне логичная мысль: если иттербиевый лазер так хорош, то почему же его сразу не изобрели? Ведь в Периодической системе, строго говоря, не так уж и много элементов, а если оставить только соседей по группе редкоземельных элементов, то их количество и вовсе сократится до двух десятков. А если вспомнить, сколько вариантов соединений приходилось перебирать химикам ещё в начале прошлого века при поиске эффективных антибиотиков, то станет и вовсе странным – неужели физикам «лень» перепробовать всего лишь дюжину, а совсем не тысячу вариантов?
Фотографии лазерных оптических систем всегда притягивают взгляд, но создают их отнюдь не для красивых светящихся лучей. Фото: Ben Williams/Flickr.com CC BY-NC 2.0
В действительности всё намного сложнее, чем просто замена одного элемента на другой. Возьмём те же иттербий и неодим. Для работы лазера нужна так называемая «накачка», попросту говоря, это свет, за счёт энергии которого будет формироваться лазерный луч. Традиционно в качестве источника такого света выступали различные лампы, отсюда и накачка называлась ламповой. Однако лампы, помимо того, что светят, ещё и неплохо греют, поэтому слишком мощная лампа просто разрушит лазер. Но если неодимовый лазер может работать на ламповой накачке, то для иттербиевого она будет неэффективна. Можно заменить лампу на светодиод, но для создания мощного светодиода, работающего в нужном диапазоне, нужны полупроводники на двойных гетероструктурах вроде арсенида галлия-индия. И тут мы уже вплотную подошли к ещё одной Нобелевской премии, которую получил Жорес Иванович Алфёров. А это всего лишь один компонент устройства…
Поэтому за сменой в названии лазера пары буковок могут стоять колоссальные объёмы научных исследований и десятилетия труда многих учёных. А начинаться всё может и вовсе в небольшой деревеньке на маленьком острове.
Академик Жорес Иванович Алфёров (1930-2019), лауреат Нобелевской премии 2000 года, выдающийся физик, чьи работы привели к созданию нового направления – физики гетеропереходов в полупроводниках, член редакционного совета журнала «Наука и жизнь. Фото: Наука и жизнь
