волны зарядовой плотности

Если толкнуть воду в узком канале слишком быстро, возникает крутая волна, которая обрушивается пеной. В мире сверххолодных атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля, такой волне не дают обрушиться квантовые законы. Физики взяли облако атомов рубидия, вытянутое в тонкую нить — такую систему называют квантовой жидкостью, — и резко сжали его с одного конца подвижной стенкой из света.

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.

В сверхпроводниках электроны объединяются в пары и текут без сопротивления. Обычно эти пары распределены равномерно, как вода в спокойном озере. Но иногда в материале возникает рябь — пары сгущаются и разрежаются с определённым шагом. Такое состояние называют сверхпроводимостью с волной плотности пар.

Плазма — это не просто горячий газ, а целый оркестр заряженных частиц, где каждая группа играет свою партию. Тяжёлые ионы (атомы, потерявшие электроны) задают медленный ритм, а лёгкие электроны носятся в десять тысяч раз быстрее.

Быстрые радиовсплески (FRB) — загадочные маяки Вселенной, за миллисекунды испускающие энергию, сопоставимую с излучением Солнца за столетия.

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.

Физики реализовали трёхмерную андерсоновскую локализацию электромагнитных волн — явление, при котором волны навсегда запутываются в случайном лабиринте из металлических частиц и перестают распространяться.

В алмазных квантовых устройствах есть крошечный дефект — азотно-вакансионный центр (атом азота плюс пустота вместо атома углерода). Он работает как переключатель, который самопроизвольно щёлкает туда-сюда: может нести лишний электрон или не нести, и от этого зависит, светится он или нет. Но стоит рядом оказаться примеси азота — и переключатель начинает жить своей жизнью.

Тонкий слой масла на поверхности воды от малейшего толчка рвётся на отдельные капли. Нечто похожее происходит в пульсарном ветре — потоке частиц, который выбрасывает быстровращающаяся нейтронная звезда. В этом потоке тоже есть слои плазмы, и они могут распадаться на сгустки — магнитные острова.

В обычном кристалле атомы стоят ровными рядами, как солдаты на плацу. Любое отклонение от этого строя принято считать вредным: беспорядок рассеивает волны и быстро гасит коллективные движения частиц. Но в некоторых материалах специально смешивают разные атомы, чтобы получить так называемую высокоэнтропийную структуру — этакий винегрет, где каждый сорт атомов занимает случайное место.

Обычный кристалл — как многоквартирный дом: электроны в нём движутся по общим коридорам и лестницам, влияя друг на друга через стены. А теперь уберём все стены, оставив одну-единственную линию квартир. Как поведут себя жильцы? Водород тут ни при чём, зато коллективное поведение электронов выходит на первый план.

В кристалле HfTe5 электроны ведут себя почти как свет: их масса так мала, что они подчиняются законам относительности. Если поместить такой кристалл в сильное магнитное поле, электроны начинают кружиться по маленьким орбитам. Их энергия при этом меняется не плавно, а ступеньками — как этажи в доме. При слабом поле виден один узор этих ступенек, а при сильном — другой, с особым ритмом.

В узоре плетёной корзинки, где прутья переплетаются треугольниками, часть электронов застревает на месте, как монетки в щелях плетения. Другие электроны свободно бегают по всей корзинке, как свет по комнате. Физики долго искали момент, когда эти два типа электронов начинают влиять друг на друга — и вот он найден в материале CsCr6Sb6.

В кристалле сверхпроводника электроны иногда выстраиваются в волны заряда — как рябь на воде, только из самих частиц. Одни волны тянутся далеко, другие живут лишь на коротких отрезках. Учёные взяли материал YBa$$_2$$Cu$$_3$$O$$_{6.67}$$ и ударили по нему короткими импульсами рентгена, чтобы разглядеть обе волны.

Охлаждённый слоистый кристалл напоминает стопку тонких листов, между которыми гуляют электроны. При температуре около 17 К в нём появляются крошечные области, где электроны выстраиваются в волну — как рябь на поверхности воды, застывшая на месте. Эти области называют зарядовыми лужицами, и раньше считалось, что они неподвижны.

Перед ударной волной, которую Земля создаёт в солнечном ветре, иногда появляются гигантские пузыри разреженного газа. Внутри них плотность частиц падает в разы, а электрические поля начинают дрожать, как струна после щипка. Четыре спутника миссии MMS, летящие строем, измерили эти колебания с невиданной ранее точностью.

Обычная плитка укладывается в периодический рисунок — мотив повторяется снова и снова. Но атомы, эти фундаментальные «кирпичики» вещества, демонстрируют куда более изощрённое поведение: при определённых условиях они самопроизвольно выстраиваются в сложную мозаику, где узор никогда не повторяется, — подобно старинным изразцовым панно с их непериодической, но строгой гармонией.

Кристалл NbSe2 похож на стопку бумаги: слои лежат плотно, и их свойства сливаются. Химики нашли способ раздвинуть эту стопку почти вдвое — между слоями вставили длинные органические молекулы, как прокладки. Теперь каждый слой ведёт себя так, будто он один-одинёшенек, толщиной в один атом.

В семействе вольфрамовых бронз один материал считался тихоней. При охлаждении его собратья перестраивают свои электроны в волнообразный узор, а он — нет. Так думали до недавнего времени. Теперь выяснилось: перестройка есть и у него. При температуре 290 К — чуть ниже комнатной — в моноклинном соединении (одна из форм кристалла) возникает волна зарядовой плотности.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон, подчиняющийся уравнению Дирака, даже в состоянии полного покоя испытывает Zitterbewegung — сверхбыстрое дрожание с амплитудой порядка триллионных долей миллиметра. Это явление можно представить как колебание волчка, вращающегося на невидимой оси.