В кастрюле с водой, которую очень аккуратно нагрели выше точки кипения, жидкость остаётся спокойной. Но малейшее возмущение — и она взрывом превращается в пар. Физики называют такое состояние метастабильным: оно кажется устойчивым, но на деле готово разрушиться от любой мелочи. В квантовом мире подобные ситуации встречаются повсеместно — от крошечных магнитов до, возможно, самой ткани пространства-времени. Наблюдать за распадом метастабильного состояния в прямом эфире невероятно трудно: обычно всё происходит слишком быстро и непредсказуемо.
В новой работе учёные нашли способ не только увидеть этот процесс, но и управлять им. Они использовали мудрёный слоистый материал из полупроводников — так называемый мудровый квантовый материал (в нём слои атомов повёрнуты друг относительно друга, создавая крупный узор, похожий на разводы на шёлке). В таких структурах электроны ведут себя очень необычно: они могут самопроизвольно выстраивать свои магнитные моменты в одном направлении, превращая материал в подобие плоского магнита — ферромагнетик. Главное преимущество этой системы в том, что с помощью лазера можно приготовить состояние, которое не является самым выгодным энергетически, — тот самый метастабильный «перегретый лёд».
Авторы работы освещали образец лучом лазера, закрученным в спираль (пучок Лагерра-Гаусса). Этот луч, словно крошечный миксер, переворачивал магнитные моменты электронов в небольшой области, создавая «пузырёк» с противоположной намагниченностью внутри первоначального магнита. Такой пузырёк и есть воплощение метастабильного состояния: его стенки стремятся схлопнуться, а внутренность — расшириться. Исход этой борьбы зависит от начального размера пузырька, который задаётся мощностью лазера.
Самый поразительный результат проявился, когда учёные включили внешнее магнитное поле, направленное против намагниченности пузырька. При определённых условиях, когда число электронов в материале точно соответствовало дробным или целым числам на один мудровый узор, время жизни пузырька увеличивалось в сто раз. В эти моменты материал переходил в особое квантовое состояние — топологический изолятор Черна, где электроны текут по краям без сопротивления, а объём остаётся непроводящим. Именно эта жёсткая топологическая структура, как арматура в бетоне, не давала магнитному пузырьку быстро схлопнуться.
Теперь вернёмся к нашей метафоре с перегретой водой. Вместо того чтобы гадать, когда же она наконец вскипит, мы можем не только точно создать пузырёк пара в нужном месте, но и растянуть момент кипения на длительное время, просто подобрав правильный «состав» жидкости. Эти эксперименты открывают путь к управлению нестабильными состояниями в самых разных квантовых материалах и, возможно, помогут лучше понять, как наша Вселенная могла пережить эпоху ложного вакуума в первые мгновения после Большого взрыва.
Мудровые узоры, давшие название целому классу материалов, получили своё имя от техники обработки шёлка муар: если сложить два слоя тонкой ткани с небольшим поворотом, возникает крупный волнистый рисунок. Точно так же два повёрнутых слоя атомов создают для электронов новый, гораздо более крупный периодический узор.
Идея ложного вакуума, способного внезапно распасться, лежит в основе многих научно-фантастических сюжетов — от «Машины времени» Герберта Уэллса до романа «Конец Вечности» Айзека Азимова, где герои опасаются катаклизма, способного перекроить всё мироздание.