В конденсированном веществе (например в твердом теле) существуют физические явления, которые физики называют волнами возбуждения. Такие волны возбуждения бывают нескольких видов. Голландский ученый Питер Дебай ввел представление об упругих (звуковых) волнах, связанных с упругими колебаниями атомов в кристаллической решетке.

Любое возбуждение, переданное от атома к атому решетки, не локализуется здесь, а воспринимается всей решеткой в виде волны возбуждения.

Квантовая механика показывает, что любое движение обладает корпускулярно-волновым свойством. Свет можно рассматривать как волны и поток частиц — квантов света (фотонов).

Волны возбуждения, возникающие в кристалле, тоже подчиняются этому закону — они, как говорят, квантуются, т.е. передаются в виде отдельных порций, а именно фотонами, фононами и экситонами. Чтобы не смешивать их со структурными частицами, например с атомами, молекулами, ученые, занимающиеся физикой твердого тела, условились называть их квазичастицами (т.е. «почти частицами»). Законы движения квазичастиц подобны законам обычных частиц (хотя могут быть и сложнее). Но в противоположность обычным частицам квазичастнцы не могут появиться в вакууме. Они возникают лишь в некоторой среде, так как сами не представляют собой строительного материала, а являются лишь носителями движения. В этом главное различие между частицами и квазичастицами, другие свойства тех и других могут совпадать.

Читатели видят, как много предварительных сведений, считающихся у физиков элементарными, нужно сообщить лишь для того, чтобы приступить к объяснению «экситонов Френкеля».

Экситоны Френкеля — это еще один крайне важный и широко распространенный тип возбуждений в полупроводниках и диэлектриках, т.е. в веществах, получивших широкое применение в науке и технике. Сразу скажем, что идея Френкеля об экситонах и математически тщательно разработанная теория движения экситонов и позволили полупроводникам и диэлектрикам занять такое выдающееся положение, что о них знают теперь многие люди даже далекие по своим интересам от науки.

Для того чтобы пояснить идею Френкеля, надо напомнить о теории внешнего фотоэффекта, разработанной А. Эйнштейном еще в 1905 году. Эйнштейн ввел понятие кванта света — фотона; но сам термин «квазичастица» (фотон — первая известная в науке квазичастица) появился в физике гораздо позже. Фотоэффект заключается в том, что в веществе под действием света появляется электрический ток. Говорят, что в этом случае в веществе возникает фотопроводимость, т.е. вещество оказывается проводником электрического тока, возбужденного действием на него света или при поглощении им света, что одно и то же.

Френкель высказал идею, что кристаллы некоторых диэлектриков, т.е. веществ, не проводящих или плохо проводящих электрический ток, могут поглощать свет (причем поглощают свет именно электроны вещества), не становясь при этом проводниками. В этом случае не появляются свободные электроны, т.е. электрический ток, а происходит возбуждение нейтрального атома. Это возбуждение, возникшее где-либо в веществе, не остается неподвижным, а перемещается прямолинейно и равномерно вдоль того или иного ряда атомов, как некоторая частица, которую Френкель и назвал экситоном (квантом возбуждения).

Когда у Френкеля возникла эта идея, еще не существовал термин «квазичастица», но сейчас можно было бы так квалифицировать теоретическое открытие Френкеля. Экситон Френкеля — это квазичастица, переносящая в кристаллической решетке электронное квантовое возбуждение, которое возникает под влиянием поглощения светового кванта (фотона). Это возбуждение, не сопровождающееся возникновением электрического тока, Френкель назвал «оптическим» возбуждением в отличие от возбуждения, при котором возникает свободный электрон (отрывающийся от атома). При возникновении свободных электронов возможна фотопроводимость кристалла. Экситоны создаются за счет фотонов, поглощающихся веществом, и поэтому Френкель не мог назвать открытую им квазичастицу просто квантом. Это могло бы вызвать путаницу в понятиях между новой квазичастицей и световым квантом.

Спустя 35 лет после этого открытия Френкеля, в 1966 году, физики прочли сообщение о том, что Ленинскую премию получила группа ученых «за теоретическое и экспериментальное исследование экситонов».

В хроникальной заметке «Присуждение Ленинской премии 1966 года» («Успехи физических наук», т. 89, вып. 3) подчеркивалось, что «идея экситона, выдвинутая впервые Я.И. Френкелем для интерпретации механизма поглощения света кристаллами, оказалась необычайно гибкой и плодотворной».

Теория экситонов, начало которой положил Френкель, в последующие годы продолжала плодотворно развиваться, проникая во многие области и получая практическое применение.

Сразу после опубликования Френкелем статьи «О превращении света в тепло в твердых телах», в которой он впервые предложил понятие «экситон» (1931 год), идея Френкеля обратила на себя внимание ряда крупных физиков-теоретиков и экспериментаторов различных стран. Появились статьи об экситонах Р. Пайерлса в Германии, В. Шокли и Д. Олетера, а также Г. Ванье в США, Н. Мотта в Англии. Идеей Френкеля заинтересовались также ученые-теоретики, такие, как Джеймс Франк из Геттингенского университета и Эдвард Теллер (получивший впоследствии широкую известность как один из создателей атомного и термоядерного оружия).

Многие экспериментаторы обращались к гипотезе об экситоне как носителе энергии для объяснения тех или иных физических явлений. Например, роль экситона принималась во внимание при объяснении внешнего и внутреннего фотоэффекта.

Вопрос о том, действительно ли существует такая квазичастица в кристаллах, долго не находил ответа. Существование экситонов было позднее доказано при изучении оптических явлений в кристаллах.

Лауреат Ленинской премии, присужденной в 1966 году за исследования экситонов, ленинградский физик, член-корреспондент Академии наук СССР Евгений Федорович Гросс еще в 1952 году писал, что экситон действительно существует и его спектр есть спектр бегущего в кристалле возбуждения (экситоны были экспериментально открыты спектроскопистами). Экситонные спектры позволяют широко изучать физические явления в кристаллах. Теперь они составляют целую главу физики твердого тела. По мнению Е.Ф. Гросса, экситонные спектры в спектроскопии твердого тела могут дать для изучения энергетической структуры твердого тела столько же, сколько атомная спектроскопия дала для изучения строения отдельного свободного атома. Другими словами, экситонная спектроскопия представляет собой одно из крупнейших достижений физики.

Так, теоретическое открытие Френкеля, пройдя сложный путь развития, оказалось не только вкладом в постижение процессов в кристаллической решетке, но и стало важным орудием экспериментальных исследований в физике твердого тела — в этом обширном разделе науки, роль которого в наше время необычайно велика и разнообразна.

Е.Ф. Гросс начал экспериментальные поиски экситонов еще при жизни Я.И. Френкеля и некоторое время мог обсуждать свои результаты с Яковом Ильичом.

Е.Ф. Гросс сказал автору этой книги: «Я никогда не забуду, как несколько молодых физиков-экспериментаторов Физтеха, в числе которых был и я, решили проверить на опыте, существуют ли в действительности экситоны Френкеля. После серии опытов, давших положительные результаты, я как-то встретил в коридоре института Якова Ильича. Я сказал ему; — Яков Ильич, мы обнаружили новые явления.

Кажется, ваш экситон можно считать экспериментально доказанным.

Френкель всплеснул руками.

— Что вы говорите! Это поразительно. Приду к вам в лабораторию. Сейчас, к сожалению, не могу. Спешу на лекцию в Политехнический.

Он уже не смог прийти к нам в лабораторию. Скоро он умер. Я шел в похоронной процессии и думал о том, как радовался бы он, слушая объяснения опытов, подтвердивших существование экситонов».

Квазичастицы — экситоны, теоретически предсказанные Френкелем и экспериментально открытые Е.Ф. Гроссом — двумя советскими физиками, быстро заинтересовали исследовательские институты различных стран. Подобно цепной реакции, они порождали все новые и новые исследования, помогая ученым решить сложные проблемы физики твердого тела.