проводимость

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако водорода и растягивает атомы, как ириску. Так выглядит сверхпроводник, когда в нём заперт незатухающий ток: вещество, в котором электричество течёт без потерь, превращается в миниатюрный постоянный магнит.

Металл из пяти разных атомов — как суп, в котором плавают кусочки моркови, гороха, картофеля, лука и мяса. Каждый кусочек — свой элемент: хром, ванадий, титан, ниобий и тантал. Такой сплав называют высокоэнтропийным: в нём нет единого кристаллического порядка, атомы перемешаны почти случайно.

В узком коридоре люди идут не толпой, а рядами. Число рядов зависит от ширины прохода. В графене роль такого коридора играет квантовый точечный контакт — перетяжка, где электроны движутся баллистически, не рассеиваясь.

Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, как губка выжимает воду. Этот эффект Мейсснера известен почти век, но обычно его рассматривают в плоском пространстве-времени — без учёта гравитации. В сильном гравитационном поле, например, вблизи чёрной дыры, или при релятивистских скоростях картина меняется.

Представьте молекулу как оживлённый рынок: электроны-покупатели заходят через два входа — контакты — и устремляются к прилавкам с самым заманчивым товаром, то есть к химически активным участкам. Долгое время считалось, что ток распределяется по молекуле равномерно, но исследователи обнаружили иную картину: через эти «горячие точки» — реактивные центры — проходит до 90% всего потока.

Спинтроника сулит передавать информацию не зарядом, а спином, избавляя микроэлектронику от главного врага — джоулева нагрева.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — кубит — должен играть свою партию точно и вовремя. Обычно музыкантов рассаживают на фиксированные места и соединяют проводами-пультами. Но что, если позволить им свободно передвигаться по сцене, а само движение превратить в часть музыки?

В кристалле CsV3Sb5-xSnx, который при низких температурах становится сверхпроводником, ток течёт не сплошным потоком, а по узким извилистым дорожкам. Разглядеть эти дорожки помог сканирующий микроскоп с чувствительным датчиком магнитного поля — он улавливает малейшие токи, словно эхолот прощупывает дно.

Тонкая плёнка из оксида иттрия-бария-меди греется в потоке инфракрасных лучей — и вдруг перестаёт рассеивать энергию. Это сверхпроводимость: электроны объединяются в пары и движутся единым квантовым роем. Но в недодопированных образцах согласие нарушается задолго до того, как пары распадутся. Они уже есть, а общий ритм ещё нет.

Обычный диод в электронике работает как дорога с односторонним движением: ток идёт только в одну сторону. В сверхпроводниках, где электричество течёт без сопротивления, подобное поведение долго оставалось труднодостижимым — ток обычно симметричен. Авторы новой работы нашли способ создать идеальный сверхпроводящий диод с помощью света.

В магнитной ловушке парит микроскопический магнит — его намагниченная ось зафиксирована, подобно стрелке компаса, которой не дают повернуться. Перед ней вырастает энергетический барьер — невидимая стена. Но в квантовом мире частицы способны просачиваться сквозь преграды: это явление называют туннелированием.

Сверхпроводник похож на идеальный хоровод электронов: они движутся парами, не теряя энергии, словно танцоры, которые никогда не сбиваются с ритма. Но стоит добавить немного магнитных примесей — и в хоровод врезаются посторонние, мешая синхронному движению. Температура, при которой начинается этот танец, падает.

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.

В кристалле-изоляторе тепло обычно распространяется от горячего конца к холодному. Но если включить магнитное поле, часть теплового потока заворачивает в сторону — как вода, которая, стекая с горки, слегка уходит вбок, когда её подталкивает ветер. Такое поведение называют тепловым эффектом Холла.

В холодном сердце чистого кристалла электроны текут как вязкая жидкость — идея, предсказанная ещё Львом Ландау. Но вихри этой жидкости оставались невидимыми, словно картина, восстановленная лишь по шуму зрителей. Теперь учёные создали наноструну — полупроводниковый камертон с круглой полостью.

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.

Крошечный сверхпроводник, парящий над магнитом благодаря эффекту Мейснера, — это пробка на поверхности невидимого океана. Малейшее дуновение тёмной материи — гипотетической формы материи, не испускающей электромагнитного излучения — заставляет его вздрагивать. Учёные рассмотрели два вида такого «ветра».

Кусочек теллурида серебра-сурьмы похож на губку: он легко впитывает тепло и превращает его в электричество. Такие материалы называют термоэлектриками, и они уже работают в космических зондах и автомобильных холодильниках. Но если сжать эту губку, она начинает вести себя как сверхпроводник — ток течёт без малейшего сопротивления.

Кристалл Co2SeO3Cl2 похож на слоёный пирог, где каждый слой — изогнутая сотовая сетка из атомов кобальта. При охлаждении до 25,4 К (−247,75 °C) в этой сетке начинают выстраиваться магнитные моменты атомов, как стрелки компасов, но не все разом, а в четыре этапа — при 25,4, 16,8, 11 и 3 К. Каждый этап — новый узор магнитного порядка.

Сверхпроводимость — это способность материала проводить электричество без потерь. Обычные провода греются, и часть энергии уходит в тепло, а сверхпроводник пропускает ток без сопротивления. Но до сих пор такое состояние удавалось получить лишь при очень низких температурах или под огромным давлением, что мешает применять его в быту.

Квантовый эффект Холла — явление, при котором проводимость двумерного электронного газа квантуется в сильном магнитном поле, — долгое время подозревали в сверхтекучести: способности течь без трения, без диссипации энергии.

Обычная компьютерная память постоянно тратит энергию, чтобы хранить единицы и нули. А сверхпроводники проводят ток вообще без потерь — если бы из них собрать память, она почти не потребляла бы электричества. Проблема в том, что сверхпроводники не умеют запоминать: их состояние слишком легко меняется. Кристалл уран-дителлурида оказался исключением.

Тонкая проволока из особого материала — топологического изолятора — ведёт себя как городская улица: внутри она пустая, а весь транспорт идёт по краям. Электроны в такой проволоке движутся только по поверхности, словно пешеходы по тротуару, не заходя на проезжую часть.

Внутри топливного элемента протоны должны быстро бежать сквозь твёрдый материал, как пассажиры сквозь турникеты в час пик. Если турникеты редкие и узкие — ток слабый. Раньше, чтобы найти материал с хорошей протонной проводимостью, химики перебирали соединения почти вслепую, по одному.

Обычный сверхпроводник похож на строй солдат, идущих парами: электроны объединяются, и их спины (внутренние «волчки») смотрят в противоположные стороны. Магнитное поле легко разворачивает такие пары, разрушая сверхпроводимость. В UTe₂ всё иначе.

В массивном металле электроны ведут себя подобно расстроенному оркестру: каждый инструмент — сам по себе, и общее звучание сливается в хаотичный шум. Но стоит раскатать металл до плёнки толщиной всего в несколько атомных слоёв, и картина радикально меняется: электроны внезапно начинают «играть» согласованно, проводя электрический ток без диссонанса — без сопротивления.

В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары, которые стоят на месте — их общий импульс равен нулю. Но бывает иначе: пары получают общий импульс и начинают двигаться, как стайка рыб, плывущая против течения. Такое состояние называют волной пар, и оно очень капризное — нужны особые условия.

В тёмной комнате крошечный алмаз светится красным, когда на него попадает зелёный лазер. Этот свет — не украшение, а сигнал: яркость меняется, если рядом есть магнитное поле. В алмазе сидят дефекты — атомы азота с пустой соседней ячейкой. Они как чувствительные стрелки, которые поворачиваются под действием магнита.

Обычно, чтобы перевернуть магнит в устройстве памяти, используют тяжёлые металлы вроде платины или вольфрама. Их электроны при протекании тока сносятся вбок, как толпа на эскалаторе, и этот снос передаёт магнитному слою вращательный момент. Но тяжёлые металлы дороги и теряют много энергии в виде тепла. Теперь исследователи заменили тяжёлый металл на лёгкий — нитрид ванадия (VN).

В неупорядоченных материалах — например, в органических полупроводниках или чернилах из двумерных материалов — электроны не движутся плавно, как вода по трубе. Они перепрыгивают с одного места на другое, как мячик, который скачет по неровной поверхности. Такое движение называют прыжковым транспортом.

Кристалл Mn₃Si₂Te₆ при 78 К превращается в катушку индуктивности, которая не нуждается ни в медном проводе, ни в сверхпроводнике. Электроны внутри него сами организуются в замкнутые вихри с определённым направлением вращения — хиральные орбитальные токи.

Камень падает в воду — и вокруг расходятся круги. В квантовом мире магнитная примесь (тот самый камешек) в металле возмущает окружающие электроны, и они образуют вокруг неё особое облако. Его называют облаком Кондо. Как круги на воде в темноте, оно долго оставалось неуловимым.