Кристалл теллура напоминает крошечную винтовую лестницу: атомы в нём закручены в спираль. Когда через такой кристалл бежит тепло, его переносят не электроны, а звуковые волны — колебания самой решётки. Эти волны не просто толкаются вперёд-назад, но ещё и вращаются вокруг своей оси, как запущенный волчок. У каждой волны есть свой особый момент вращения — псевдо-угловой момент (сокращённо ПУМ), который появляется из-за того, что кристалл закручен в пространстве.
Долгое время считалось, что этот момент важен только при рождении или поглощении волн, а на их столкновения между собой не влияет. Но авторы работы доказали обратное. Они обнаружили, что при встрече трёх волн их моменты вращения должны складываться по строгому правилу — как в эстафете, где палочка передаётся без потерь. Если моменты не сходятся, столкновение запрещено, даже если по энергиям и импульсам всё сходится. Это похоже на танец, в котором партнёры кружатся в разные стороны — они просто не могут взяться за руки.
Чтобы проверить догадку, учёные взяли идеальный винтовой кристалл теллура и пересчитали его теплопроводность с помощью компьютерной модели. Они не меняли ни силы связей между атомами, ни частоты колебаний — только наложили на расчёт найденное правило сохранения момента. Результат поразил: при комнатной температуре тепло потекло в 5,3 раза быстрее, а при нагреве до 400 К эффект почти не ослаб. В другом эксперименте, на объёмном хиральном кристалле (где молекулы зеркально несимметричны), учёт того же правила поднял расчётную теплопроводность на 24% — ровно на столько, на сколько прежние расчёты отставали от измерений в лаборатории.
Открытие меняет взгляд на управление теплом в микроэлектронике и наноматериалах. Если научиться включать и выключать это правило — например, слегка меняя закрутку кристалла, — можно будет создавать тепловые диоды, где тепло течёт только в одну сторону, или сверхэффективные теплоотводы для процессоров. Винтовая лестница атомов, которая раньше казалась просто красивой структурой, оказалась ключом к тепловому коду природы.
Теллур — один из немногих элементов, чьи атомы сами собой выстраиваются в спиральные цепочки. Если посмотреть на такой кристалл вдоль оси, он выглядит как шестерёнка с тремя зубцами.
В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» инженеры управляют тепловыми потоками целой планеты с помощью сверхпроводящих сетей — открытие скрытых правил рассеяния тепла в закрученных материалах делает такую идею чуть ближе к реальности.