анизотропия

Толпа у входа в узкий коридор ведёт себя не так, как в просторном зале: одних прижимает к стенам, других выталкивает вперёд. Примерно то же происходит, когда вытянутая частица оказывается в жидкости, кишащей самодвижущимися гантелями. До сих пор было неясно, почему такая частица движется вдоль длинной оси быстрее, чем поперёк, и как плотность толпы влияет на её скорость.

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле оно пронизано невидимым дождём из заряженных частиц — космических лучей. Учёные давно пытаются понять, где рождаются самые энергичные из них. До недавнего времени считалось, что наша Галактика поставляет частицы вплоть до энергии около 4 ЭэВ — так называемой «лодыжки» на спектре.

Свет, рождающийся при влёте быстрого электрона в материал, обычно считают изотропным — одинаковым во всех направлениях. Но в кристаллах, где оптические свойства зависят от направления, это не так. Проведите рукой по бархату: в одну сторону он гладкий и блестит, в другую — тёмный и шероховатый. Так и кристалл по-разному реагирует на свет в зависимости от своей ориентации.

Кристалл похож на город с разными улицами: по одним машины едут быстро и далеко, по другим — медленно и вязнут. В слоистом материале CrPS₄ магнитные волны, переносящие спин (собственный момент частицы), ведут себя так же. Вдоль одной оси кристалла они бегут в 2,2 раза быстрее и проходят в 2,7 раза дальше, чем вдоль другой.

Бросьте горсть песка на стол — песчинки разлетятся во все стороны одинаково. Но если под столом спрятан магнит, а песок железный, траектории станут хитрее: на хаос наложится невидимая глазу структура. Примерно так устроено движение молекул внутри живой клетки.

Два города с одинаковой средней плотностью населения. В одном — аккуратная сетка кварталов, в другом — лабиринт узких улочек и неожиданных площадей. На глобальной карте они выглядят близнецами, но жизнь внутри течёт совершенно по-разному.

Клеточная мембрана — не спокойная граница, а арена непрерывного броуновского движения. Молекулы воды, ионы, мелкие метаболиты хаотично соударяются, создавая постоянное давление на поверхность клетки. Новая модель показывает, что именно эта молекулярная толкотня, а не только химическое сродство, запускает захват частиц — процесс, известный как эндоцитоз.

Космологический принцип — аксиома о том, что Вселенная в больших масштабах одинакова во всех направлениях, — подобен тихому басовому гулу, задающему тон всей симфонии структур. Без него уравнения общей теории относительности не сложились бы в стройную картину расширения от Большого взрыва до наших дней.

Пространство-время подобно гигантскому листу бумаги. Сложите его — и далёкие уголки окажутся рядом. Проколите карандашом — получится кротовая нора, короткий туннель сквозь складки. Но бумага стремится распрямиться, захлопывая проход. Чтобы удержать его открытым, нужна редкая «прокладка» — материя с отрицательной энергией.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, предсказанные общей теорией относительности.

Космология стоит на том, что в больших масштабах Вселенная — спокойный океан без бурь и течений. Это космологический принцип, фундамент стандартной космологической модели ΛCDM.

Ночь, огромное озеро, полная тишина. Волн не видно, но слышно, как они с равным шумом накатывают на берег со всех сторон. Это похоже на то, что астрономы называют гравитационно-волновым фоном — несмолкающий гул от слияния далёких чёрных дыр. Но что, если в какой-то стороне озера плеск чуть громче?

Если посветить на кристалл FePS3, он ответит собственным свечением — как неоновая вывеска, но гораздо слабее и в инфракрасном диапазоне. Свечение это не случайное: оно зависит от того, как повёрнут кристалл. Учёные взяли образцы от толстого куска до слоя в один атом и увидели четыре полосы света — при 1,24 электронвольта, 1,79, 2,3 и 2,56.

Тонкая плёнка для солнечной батареи или экрана — как плотная толпа на площади: каждый человек повёрнут в свою сторону, и от того, куда смотрят все, зависит, пройдёт ли свет сквозь толпу или застрянет. В органической электронике роль прохожих играют молекулы. До сих пор приборы могли измерить только общее направление толпы — средний наклон голов и разброс.

Кусочек плёнки из оксида цинка лежит на столе. Подносят магнит и начинают медленно поворачивать его вокруг плёнки. Плёнка, толщиной меньше человеческого волоса, начинает менять свои размеры: то сжимается, то растягивается. Это свойство называется магнитострикцией — способностью материала деформироваться под действием магнитного поля.

Магнит, как стрелка компаса, любит указывать в определённом направлении. Но что, если этот материал — слоистый, как стопка блинов? Учёные взяли именно такой магнит из соединения хрома, германия и теллура и решили выяснить, насколько сильно он «упрямится» при попытке повернуть его намагниченность.

Представьте реку: вода течёт в одну сторону, а волна на её поверхности движется в противоположную. Этот парадокс — ключ к пониманию поведения света в гиперболических материалах. В них энергия световой волны и её волновые фронты расходятся в разных направлениях, что разрушает фокусировку и не даёт создать чёткую линзу.

Когда вы надавливаете пальцем на кусок мягкого пластилина, он послушно проминается, а потом медленно возвращается к прежней форме. Но если надавить на оконное стекло, оно либо выдержит, либо треснет — никакой плавной деформации. Оба материала — аморфные: их атомы не выстроены в строгую кристаллическую решётку, как в металле. Однако ведут себя они совершенно по-разному.

В тонком слое кристалла электроны ведут себя иначе, чем в обычном куске металла. Им тесно, они чаще сталкиваются друг с другом и сильнее чувствуют форму решётки. Обычно такие состояния создают искусственно, собирая слои разных материалов. Но иногда природа делает всё сама. Кристалл MoOCl₂ — первый природный материал, в котором электронный газ настолько неоднороден по направлениям, что его называют гиперболическим.

Свет, проходя через оконное стекло, преломляется одинаково во всех направлениях. Но в тонких слоистых кристаллах всё иначе: свет, идущий вдоль слоёв, видит материал иначе, чем свет, идущий поперёк. Это как если бы лист бумаги был прозрачным, но по-разному пропускал свет, направленный вдоль волокон и поперёк.

Вода в луже после дождя кружится не так, как в глубоком озере. Тонкий слой жидкости чувствует дно, и это меняет характер вихрей. Учёные создали такой слой в лаборатории: налили электролит, пропустили ток и магнитное поле, и жидкость пришла в движение. Затем с помощью камер и мелких частиц они отследили движение вплоть до самых маленьких вихрей, размером с долю миллиметра.