связанное состояние

Слоёный пирог из дисульфида молибдена MoS2 лежит на лабораторном столе. Его готовят привычным способом: клейкая лента отрывает верхние слои, чтобы получить тонкий образец. Но под лентой остаётся невидимая полость, где атомные этажи больше не прижаты друг к другу. Именно там электроны начинают вести себя иначе, чем в толще кристалла.

В мастерской природы есть странный станок: он нарезает резьбу на винтиках, но запрещает левую. Винтик можно закрутить как угодно сильно, в любую сторону по часовой стрелке, но против часовой — нельзя. Этот станок — не выдумка, а точное квантовое правило, которое физики только что построили для магнитных материалов.

Танцоры на сцене с подвижными стенами: частицы в конечной квантовой системе сталкиваются друг с другом и отражаются от краёв, но стены могут двигаться по заданному сценарию. Физики долго умели описывать такие танцы только при неподвижных стенах или в бесконечном зале. Теперь появился способ учесть и движение стен, и отражения от них.

Тонкая серебряная струна длиной почти с толщину человеческого волоса — и в ней проявляются чистые квантовые законы. Физики создали проводник, в котором электроны могут двигаться только вперёд или назад, словно по идеально прямой одноколейной дороге без обочин.

Протон — не цельный шарик, а крохотная тюрьма. Внутри неё заперты три кварка, и вырваться им не даёт глюонное поле — что-то вроде невидимых нитей, которые становятся только крепче, если кварки пытаются разойтись.

Кипящая вода в кастрюле — вот с чего стоит начать. Пузыри пара всплывают, лопаются, и поверхность успокаивается. Примерно так же в первые мгновения жизни Вселенной могло вести себя особое поле, заполнявшее пространство: в нём надувались и сталкивались пузыри новой фазы — как островки пара в жидкости.

Магнитное поле в 42 тесла — примерно в миллион раз сильнее поля Земли. В таком поле кристалл SrCu₂(BO₃)₂ ведёт себя необычно: его намагниченность растёт не плавно, а скачками, замирая на определённых значениях. Раньше считалось, что такие плато возникают, когда спины электронов (их крошечные магнитные стрелки) выстраиваются по строгому геометрическому узору — как солдаты в строю.

Квантовая запутанность — явление, при котором состояния двух или более частиц оказываются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними — обычно связывает внутренние свойства, такие как спин или поляризация. Однако в новой работе впервые реализована запутанность самих положений двух атомов в пространстве.

Свет или звук можно запереть в крошечной области кристалла — как жемчужину в раковине. Обычно для этого используют два способа. Первый похож на тяжёлый шар в ямке: частица с большой массой просто не может выкатиться. Второй — идеальная клетка из зеркал, где волны гасят друг друга всюду, кроме самой ловушки.

По натянутой простыне бежит одинокая складка — крутой перепад высоты, который не расплывается, а движется как целое. Физики называют такую складку «кинк». Если резко дёрнуть простыню в одном месте, по ней пойдёт рябь. Но в некоторых средах эта рябь не разбегается, а собирается в комок и дрожит на месте десятки и сотни циклов. Такой комок — осциллон.

В горах есть седловина — точка, где тропа из одной долины переваливает в другую. Встав точно на неё, делаешь шаг и уже спускаешься по новому склону. В химии такое место называют переходным состоянием: короткий миг, когда атомы замерли на пороге превращения. Почти сто лет физики были уверены, что в квантовом мире этот перевал исчезает.

Внутри нейтронной звезды материю сдавливают так, что атомные ядра перестают быть отдельными комочками. Нейтроны и протоны приближаются друг к другу, и их внутренности — кварки — начинают чувствовать соседей сквозь стенки своих «мешков». Нейтронная звезда — это шар радиусом с небольшой город, но массой как полтора Солнца. Чайная ложка её вещества весит миллиарды тонн.

Ребёнок на качелях: слишком сильный толчок — и он вылетает. Примерно так мощный свет вырывает электроны из атома. Казалось бы, чем сильнее толчок, тем вернее разрушение. Но в квантовом мире всё иначе: когда сила поля переходит некий порог, атом внезапно замирает. Его электронное облако перестаёт разлетаться и становится устойчивее.

Обычный магнит всегда держит при себе два полюса — северный и южный. Разломи его пополам, и каждый осколок тут же обзаведётся собственной парой. Но глубоко в теории частиц живёт странный образ: монополь — частица, несущая лишь один магнитный заряд, одинокий полюс без напарника.

Иногда в уравнениях заводится лишнее — как скрипучая половица, которая не даёт покоя всему дому. В теории гравитации, если добавить в уравнения квадраты кривизны (а это нужно, чтобы описать очень сильные поля), появляется частица-призрак — тяжёлая, но с отрицательной энергией.

Атомное ядро — не монолитный шарик, а плотный рой крошечных частиц, кварков, склеенных особым клеем (сильным взаимодействием). В лёгких ядрах, вроде кальция, этот рой устроен просто: число двух сортов кварков — верхних и нижних — почти одинаково, как число белых и чёрных клавиш в октаве.

Если попробовать разломить протон и вытащить из него кварк, вас ждёт сюрприз. Обычные силы, вроде электрической, слабеют, когда частицы разлетаются. А здесь — наоборот. Чем дальше кварк от своих соседей, тем сильнее его тянут обратно.

Камертон, по которому ударили, затихает: его колебания утекают в воздух. Но бывают системы, где колебание не затухает, хотя рядом полно свободных волн, готовых унести энергию. Такие «пойманные» состояния физики называют связанными состояниями в континууме (BIC). Их предсказали ещё в 1929 году, а впервые увидели только в 2011-м.

В цепочке оптических ловушек, подобно линии прибрежных фортов, удерживаются атомы. Рядом с ними — квантовое море: конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние вещества с нулевым сопротивлением, где частицы движутся как единая волна.

Обычный протон состоит из трёх кварков — как табуретка на трёх ножках. Но природа не запрещает собрать и «кресло» из четырёх кварков, если два из них — тяжёлые прелестные, а два — лёгкие. Такие частицы называют тетракварками, и до сих пор их изучали в основном на больших ускорителях, сталкивая частицы и разбирая обломки.

Резинка натянута — и вдруг лопается. В мире атомов есть похожая картина: струна, связывающая частицы, может разорваться. В новой работе физики взяли цепочку атомов ридберговских атомов и проследили, как рвётся такая струна. При слабом натяжении струна рвётся полностью, и система распадается на несколько независимых кусков — как если бы резинка разлетелась на отрезки.

Сверхпроводящий кубит — это крошечная электрическая цепь, которая ведёт себя как искусственный атом. В обычном состоянии через неё течёт ток без сопротивления, и энергетические уровни расположены ровно, как ступеньки лестницы. Но если в цепи застревает один-единственный электрон, всё меняется.

В квантовом мире столкновение частиц не разрушает их индивидуальность, а сплетает в неразрывный узел: внутренние состояния и движения перепутываются, словно нити в сложном гобелене. Исследователи разработали универсальный метод, позволяющий измерить эту запутанность — явление, которое Альберт Эйнштейн называл «жутким дальнодействием», — напрямую из данных о столкновениях.

Когда в ядро атома попадает лишний нейтрон, оно начинает вести себя как переполненная чашка: ещё немного — и содержимое выплеснется. Физики из французского центра GANIL устроили такую «передачу» нейтрона от дейтрона (ядра тяжёлого водорода) к ядру кислорода-19. В результате рождалось ядро кислорода-20 — с одним лишним нейтроном.

Сверххолодное атомное облачко, напоминающее туман, позволяет предположить, что гравитация может отклоняться от ньютоновского закона. На окраинах галактик звёзды движутся быстрее, чем предсказывает классическая механика. Теория MOND (Modified Newtonian Dynamics) модифицирует закон тяготения на больших расстояниях, делая избыточную тёмную материю ненужной.