аномальный перенос тепла

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

Когда лазерный импульс попадает в атом, он вырывает электрон. В классической картине свет — это гладкая электромагнитная волна, и чем выше её интенсивность, тем сильнее ускоряется электрон.

Магнитное поле в термоэлектричестве обычно действует как строгий регулировщик: чтобы тепло преобразовывалось в электричество, поле обязано быть ориентировано поперечно потоку тепла. Если поле лежит вдоль теплового потока, эффект исчезает — так считалось десятилетиями.

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.

Бассейн с мокрым песком. Вы нажимаете в одном углу — и вода начинает двигаться. Но как именно? Вместо ровного круга она может растекаться языками, надолго задерживаться в одних местах и стремительно проскакивать другие. Под землёй происходит то же самое: нефть, вода или газ мигрируют сквозь породы не по учебнику, а подчиняясь хаосу трещин и неоднородностей.

Представьте небоскрёб, собранный не из отдельных кирпичей, а из целых квартир-студий. Именно так устроен кристалл Au₆Te₁₂Se₈: его узлы — не атомы, а сверхатомные кластеры из золота и халькогенов, которые ведут себя как единые квантовые объекты.

Обычно сверхпроводимость — это история про холод. Чем ниже температура, тем легче электронам объединиться в пары и течь без сопротивления. Но в новой работе физики вырастили тонкие плёнки никелатов с добавкой европия и увидели обратную картину.

Термометр, превращающий поток тепла в электрический сигнал, — так работает аномальный эффект Нернста: в магнитном материале тепло рождает поперечное напряжение. До сих пор инженеры могли лишь слегка подправлять этот сигнал, меняя пропорции двух металлов. Новая работа добавляет третий компонент — и картина резко усложняется.

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.

Если бросить горсть монет на стол, они лягут как попало. Но в некоторых кристаллах атомы выстраиваются в узор, напоминающий плетёную корзину — решётку кагоме. В металле MgMn₆Sn₆ такую решётку образуют атомы марганца, и при комнатной температуре они действуют как крошечные магнитные стрелки. Только смотрят эти стрелки не строго в одну сторону, а слегка расходятся веером в плоскости слоя.

В знакомых нам металлах вроде меди электроны движутся почти независимо — как автомобили на свободной трассе. Сопротивление возникает из-за редких столкновений, и его можно описать простыми формулами.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Но если камень очень мал, а вода не совсем обычна, круги проходят сквозь него, даже не заметив. Примерно так ведут себя звуковые колебания в сверхтекучем гелии: при крайне низких энергиях они просачиваются через препятствия, словно тех и нет. Физики называют это аномальным туннелированием.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

Среди магнитов есть тихие мастера перевоплощений. Обычный магнит притягивает скрепки и имеет два полюса — север и юг. А есть материалы, которые внутри устроены как магнитная шахматная доска: их атомы выстроены в строгом порядке, но снаружи материал ведёт себя нейтрально, как будто магнита нет вовсе. Такие вещества называют альтермагнетиками.

Мозаичный пол из множества мелких плиток, повёрнутых в разные стороны. Казалось бы, любой узор, который пытается пройти сквозь такой пол, должен сбиться и исчезнуть. Именно так обычно думают о беспорядке в кристаллах: если атомы не выстроены в идеальную решётку, тонкие квантовые эффекты должны разрушиться.

Если толкать тепло через кусок кварца, оно обычно идёт прямо, как вода по трубе. Но стоит включить магнитное поле, и поток слегка сворачивает вбок — будто труба вдруг дала боковое ответвление. Такой эффект называют тепловым эффектом Холла, и до сих пор не было ясно, что именно заставляет тепло отклоняться: беспорядок в кристалле или что-то более фундаментальное.

Молодая звезда HL Tau окружена диском из газа и пыли — колыбелью будущих планет. Внутри этого диска газ не стоит на месте: он движется по кругу, но при этом дрожит и перемешивается, как вода в бурной реке. Астрономы впервые напрямую измерили силу этого перемешивания.

Тонкая плёнка из оксида никеля толщиной в десятки нанометров — как лист бумаги, сложенный в сотни раз тоньше. При комнатной температуре она проводит электричество, но стоит слегка охладить — становится изолятором. Этот переход металл-изолятор давно известен, но как при этом ведёт себя тепло, оставалось загадкой.

Вода в ручье не течёт ровным слоем: она промывает извилистые дорожки, где поток быстрее. Примерно так же ведут себя электроны в холловском двигателе — устройстве, которое толкает космический корабль струёй плазмы. Внутри двигателя магнитное поле удерживает электроны, а они ионизируют газ и создают тягу. Но часть электронов всё же утекает поперёк поля, снижая эффективность.

Тонкая сверхпроводящая проволока, охлаждённая почти до абсолютного нуля, способна почувствовать одиночную частицу света. Такие детекторы незаменимы в квантовых вычислениях и защищённой связи, но их характер портит беспорядок — случайные неровности и примеси, которые невозможно убрать полностью. Физики решили не бороться с беспорядком, а приручить его.

Бросьте горсть гороха в кастрюлю с манной крупой — горошины быстро утонут, расталкивая крупинки. Но если сделать крупу очень густой и липкой, горошины застрянут. Примерно так вели себя лёгкие атомы лития в облаке тяжёлых атомов калия при температуре в миллионные доли градуса выше абсолютного нуля. Обычно частица в газе движется как пьяный пешеход: шаг влево, шаг вправо, и в среднем уходит от старта всё дальше.

Тридцать нанометров — дистанция, на которой спринтер-фонон ещё не успевает разогнаться. В тонких плёнках нитрида алюминия тепловое сопротивление остаётся почти неизменным до этой толщины: перенос тепла идёт в баллистическом режиме, где фононы (кванты колебаний кристаллической решётки) летят без столкновений.