Космические струны в нанокомпозите: как увидеть эхо Большого взрыва ✛
После Большого взрыва, согласно инфляционной космологии, Вселенная пережила стремительное расширение и серию фазовых переходов. В этот период, как полагают теоретики, в ткани пространства-времени могли застыть топологические дефекты — космические струны, доменные стенки, монополи. Их поиск ведётся десятилетиями, но прямых доказательств пока нет. Удивительно, однако, что физика даёт нам возможность заглянуть в этот «момент творения» на лабораторном столе. Когда вещество испытывает фазовый переход с нарушением симметрии — например, превращается в сверхпроводник или бозе-эйнштейновский конденсат — в нём самопроизвольно возникают похожие дефекты. Разница лишь в масштабе: вместо световых лет мы оперируем микронами. Именно такой переход изучала команда физиков, использовавшая нанокомпозит на основе MgB₂ — сверхпроводника с хорошо изученной природой спаривания, открытой ещё Джоном Бардином и его коллегами в рамках теории БКШ.
Ключевая особенность эксперимента — режим охлаждения. Обычно, чтобы замести следы неравновесности и увидеть «замороженные» по механизму Киббла–Зурека дефекты, требуется резкий температурный сброс (quench). Здесь же вихри наблюдались при весьма плавном охлаждении — около 0,2 К/с. Причина в необычной морфологии композита: сверхпроводящие зёрна MgB₂, занимающие примерно 30% объёма, окружены диэлектрической, но электропроводящей из-за кислородных вакансий матрицей MgO. Зёрна связаны друг с другом джозефсоновскими контактами, так что на макроскопическом уровне возникает фазовая когерентность, но до того, как она установится, каждый домен уже обладает собственной случайной фазой параметра порядка. При соединении этих «островков» в единую сеть фаза не успевает полностью выровняться, порождая вихревые петли с огромной — до 10 мкм — глубиной проникновения поля. Сканирующая интерферометрическая СКВИД-микроскопия, работающая как сверхчувствительный датчик квантовых измерений магнитного потока, позволила впервые увидеть эти структуры напрямую. Численное моделирование токовых распределений подтвердило, что вихри буквально повторяют извилистую фрактальную геометрию каналов, проторенных сверхтоком среди зёрен.
Эта работа — не просто красивый образ, а прорыв в понимании фазовых переходов в разупорядоченных средах. Она превращает кусок сверхпроводящего нанокомпозита в программируемый симулятор ранней Вселенной: изменяя скорость охлаждения или морфологию зёрен, можно исследовать, как рождаются и эволюционируют топологические дефекты в условиях, далёких от идеальной однородности. Ближайшая перспектива — использование СКВИД-на-кончике с нанометровым разрешением, чтобы рассмотреть спонтанный вихрь в мельчайших деталях и напрямую извлечь длину фазовой корреляции. Это позволит не только проверить предсказания теории Киббла–Зурека на новом, «медленном» пределе, но и, возможно, найти подходы к управлению сверхпроводящими свойствами через контролируемое создание вихревых структур. В конечном счёте мы приближаемся к тому, чтобы читать первых отпечатков нарушения симметрии — застывших магнитных эхо инфляционной эпохи, хранящихся в куске керамики при температуре жидкого гелия.
Один квант магнитного потока Φ₀ настолько мал, что для создания магнитного поля в 1 тесла (как у хорошего магнита) на площади в 1 мм² потребовалось бы упаковать примерно 50 миллионов таких квантов. СКВИД-микроскоп способен уловить поле в миллиард раз слабее!
Идея космических струн — гигантских складок пространства-времени, оставшихся после Большого взрыва, — давно кочует из теоретической физики в научную фантастику. В романе «Космические струны» и сериале «Звёздный путь» они служат источником невообразимой энергии и даже порталами в иные вселенные. Эксперименты с нанокомпозитами показывают, что такие дефекты можно изучать, не покидая лаборатории.