криогенное зондирование

Канарейку брали в шахту не ради песен. Птица падала с жёрдочки раньше, чем шахтёр замечал угарный газ. В сверхвысоком вакууме роль канарейки играет облако из ста тысяч атомов лития или рубидия. Лазер охлаждает их до десятков микрокельвинов, и они повисают в неглубокой магнитной ловушке, глубина которой всего около одной тысячной кельвина.

Сцена залита ледяным светом, и на ней стоят кремниевые зрители. Каждый из них — матрица крошечных лавинных диодов, способных заметить одиночный фотон, но только если температура вокруг опустится до 165 К. Раньше такие зрители готовили к выступлению в одиночку, вручную, и никто не мог поручиться, что на большой сцене они сработают одинаково.

Переводчик приходит на совещание, где говорят на языке, которого он не знает. Сначала ему приходится слушать каждое слово, дословно записывать и потом сверять с оригиналом. Так работают симуляторы нейтринного телескопа IceCube: они отслеживают каждый фотон, который родился в антарктическом льду, прошёл сотни метров и ударил в датчик.

Вместо ледяной ванны — тёплая газовая рубашка. Именно так теперь охлаждают криогенный компаратор тока в Национальном метрологическом институте Японии. Раньше этот прибор, сверяющий электрические токи с точностью до миллиардных долей, требовал погружения в жидкий гелий. Сегодня он работает в замкнутом холодильнике, где его греет не жидкость, а газ.

Чёрная дыра — это лабиринт, из которого не выбраться. Но что происходит с информацией внутри? Чтобы проверить это, физики не полетели к ближайшей дыре, а собрали её крошечную копию на квантовом процессоре. Роль лабиринта сыграла цепочка из 32 сверхпроводящих кубитов, где каждый шаг ведёт только вперёд — как в коридоре с односторонним движением.

Представьте бильярдный шар, висящий в воздухе. По нему из духовой трубки вылетают крошечные горошины. Каждый удар едва заметен, но если шар очень лёгкий и почти не дрожит от тепла, можно разглядеть отдельные толчки. Примерно так устроен эксперимент: стеклянная сфера размером с бактерию парит в вакууме, а на неё летит узкий пучок атомов ксенона.

Магнитное поле Земли непостоянно: оно дрожит от солнечного ветра, от далёких гроз, от работы метро. Чтобы заметить эти дрожания, нужен прибор, который сам не дрожит. Физики собрали такой прибор из атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В обычном газе атомы носятся хаотично, их сигнал размывается за миллисекунды.

Квантовые компьютеры ошибаются. Каждый кубит — как шарик на кончике карандаша: чуть дрогнет рука, и он скатывается. Чтобы шарики не падали, нужен кто-то, кто заметит дрожание и вовремя поправит. В квантовых вычислениях эту работу делает декодер — программа, которая смотрит на результаты измерений и решает, где произошла ошибка. Snowflake — один из таких декодеров.

Когда горсть камешков падает в пруд, от каждого разбегаются круги. Если камешки разные, то и круги получатся разными: одни резкие, другие плавные. Но если смотреть на воду издалека и видеть лишь малую часть ряби, все эти отличия смазываются.

Горячий чай остывает, а мороженое тает — тепло всегда переходит от тёплого к холодному, и этот закон казался нерушимым. Но в квантовом мире даже привычные правила можно переписать. Физики поместили крошечный механический резонатор (вибрирующую перемычку размером с микроб) в оптическую полость между двумя зеркалами.

Два крошечных грузика, каждый с песчинку весом, висят в темноте при температуре холоднее открытого космоса. Они не касаются друг друга, но между ними есть невидимая нить — гравитация. Эксперимент, который сейчас строят физики, должен поймать момент, когда эта нить дёргает один грузик из-за движения другого.

Квантовые технологии остро нуждаются в универсальном «переводчике» между языками микроволн и света. Сверхпроводящие кубиты общаются на сантиметровых волнах, тогда как фотоны в оптоволокне — на оптических частотах. Мостом могут стать квантовые состояния магнонов — коллективных возбуждений спинов в магнитных кристаллах.

Лазер — это не только свет. Если заставить частицу колебаться, как маятник, и эти колебания сами себя поддерживают, получается фононный лазер. Звучит сложно, но суть проста: вместо волн света прибор испускает стройные волны механических колебаний — фононы. В новой работе таким «маятником» стал один-единственный ион кальция, пойманный в электромагнитную ловушку.

Точечный дефект в кристаллической решётке нитрида бора работает как миниатюрный оптический индикатор. При возбуждении светом он испускает свечение, цвет которого сдвигается в красную область с ростом температуры: это классическая термометрическая зависимость.

Каждую секунду сквозь тело проходит около сотни невидимых частиц — мюонов. Они рождаются высоко в небе, когда космические лучи сталкиваются с атомами воздуха, и дождём сыплются на Землю. Эти частицы настолько проникающие, что могут пройти сквозь многоэтажное здание, но при этом слегка меняют направление, встретив плотное вещество — например, свинец или уран.

Обычный полевой транзистор похож на кран с очень чувствительной ручкой: чуть повернул — вода пошла. В холодных недрах квантового компьютера, где всё охлаждено почти до абсолютного нуля, такой кран должен открываться строго по команде.

Магнит размером с рисовое зёрнышко парит в пустоте, не касаясь стенок. Его удерживает магнитное поле сверхпроводящей ловушки — кольца, охлаждённого до такого состояния, где ток течёт без сопротивления. Парение нужно, чтобы убрать трение: без него даже слабый толчок заставляет магнит колебаться очень долго, как камертон после удара.

Квантовые законы безраздельно управляют микромиром, но макроскопические объекты обычно ведут себя классически: тепловое движение атомов заглушает квантовые эффекты. Чтобы крупное тело проявило квантовые свойства, его традиционно охлаждают почти до абсолютного нуля в криостатах, подавляя тепловые флуктуации.

Крошечный шарик массой в доли миллиграмма, подвешенный в магнитном поле и охлаждённый почти до абсолютного нуля, совершает колебания на протяжении 110 часов без остановки — это рекордный уровень изоляции от внешней среды.

Четыре крошечные лужицы, и в них плещутся капли сверхтекучей жидкости. Эти капли — атомы, охлаждённые почти до абсолютного нуля и связанные в пары, как маленькие магнитики. Когда вся конструкция поворачивается, жидкость перетекает между лужицами. Достаточно просто посчитать, сколько капель оказалось в каждой, — и угол со скоростью поворота становятся известны.

Если ударить по алмазу, он отзовётся звоном — но звук внутри него живёт и без удара. Там постоянно бегут волны сжатия и разрежения, похожие на рябь, которую камень бросает по воде. Только рябь эта — тепловые колебания самих атомов, и её можно засечь лазером. Авторы работы направили на алмаз зелёный лазер и следили, как свет рассеивается на этих невидимых волнах.

Сверхчуткий микрофон пытается уловить шёпот далёкой галактики. Но сам микрофон дрожит от тепла — его атомы пляшут, как попкорн на сковородке. Физики называют этот пляс тепловым шумом, и он часто заглушает слабые сигналы. В детекторах гравитационных волн — приборах, ловящих дрожание самого пространства, — ситуация похожая.

Свет оставляет след, даже когда его почти нет. Отдельный фотон — крошечный сгусток энергии — падает на кремниевую пластинку и выбивает горстку электронов. Беда в том, что горстка слишком мала, чтобы её заметить. Нужен усилитель. Обычно сигнал усиливают, прикладывая напряжение к металлическим контактам на поверхности детектора.

Магнитное поле Земли, которое поворачивает стрелку компаса, — сильное. Новый датчик ловит поля в сто тысяч раз слабее, и для этого ему не нужны ни жидкий гелий, ни громоздкие установки. Всё умещается на печатной плате — такой же, как внутри смартфона. Секрет — в паре из медного резонатора и кристалла железо-иттриевого граната.

Нужно рассмотреть снежинку, не дав ей растаять и не повредив. Примерно такая задача стоит перед учёными, которые хотят изучать отдельные белки — крошечные молекулярные машины жизни. Белок в растворе постоянно дрожит и слипается с соседями, а в электронном микроскопе его разрушает луч.

Нейрон воспринимает электрические сигналы, подобно сверхчувствительному микрофону, улавливающему малейшие колебания. Его «слуховой аппарат» — ионные каналы, белковые поры в клеточной мембране, которые открываются в ответ на изменение трансмембранного напряжения, порождаемого движением заряженных частиц.

Металлическая игла опускается на кусочек сверхпроводника. Всё это происходит внутри холодильника, который остужает образец до 30 тысячных градуса выше абсолютного нуля — в сто раз холоднее, чем открытый космос. Через иглу пропускают слабый ток, и по тому, как электроны проходят сквозь крошечное пятнышко контакта, физики читают, что творится внутри материала.

Обычная антенна ловит радиоволны, но есть поля, которые она почти не чувствует. Речь о медленных электрических полях — таких, что меняются раз в секунду или реже. Для них физики собрали датчик из пучка атомов рубидия. Пучок летит в вакууме, и атомы в нём ведут себя как крошечные стрелки компаса, только реагируют не на магнит, а на электрическое поле. Атомы в пучке сначала облучают лазером.

Датчик, который ищет редкие частицы, похож на ухо, пытающееся расслышать шёпот в шумной комнате. Чем тише сигнал, тем труднее отличить его от случайного шума. В эксперименте NUCLEUS такие датчики — криогенные калориметры — охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы они могли уловить даже слабый всплеск тепла от одной частицы.

Шёпот в шумном зале можно поймать только очень чувствительным микрофоном, который сам почти не шумит. В физике редких событий такую роль играют детекторы из сверхчистого германия — полупроводникового кристалла, превращающего пролетающую частицу в крошечный электрический импульс.

Тёмная материя — невидимая масса, гравитационно удерживающая галактики от разлёта. Её природа остаётся неизвестной, но один из наиболее вероятных кандидатов — аксион, сверхлёгкая частица, почти не взаимодействующая с обычным веществом. Чтобы зарегистрировать её, физики создали гибридную ловушку, сочетающую квантовую оптику и сверхпроводящую электронику.

Квантовый магнитометр на основе ядер водорода работает по принципу, напоминающему наушники с активным шумоподавлением. Он попеременно «слушает» магнитное поле двумя разными способами: шум для них одинаков, а полезный сигнал различен. Вычитая одно из другого, прибор выделяет сигнал, ослабляя помехи более чем в 1000 раз.

В лаборатории измеряют очень слабый сигнал — например, крошечное изменение магнитного поля. Прибор дрожит от проезжающих машин, от дыхания экспериментатора, от нагрева проводов. Этот технический шум не убрать полностью, и он ставит предел точности. Обычный датчик работает как весы, которые качаются от любого сквозняка.

Радиоволны, которые колеблются реже одного раза в секунду, проходят сквозь землю и воду почти без потерь. Такие сигналы используют для связи с подводными лодками и для поиска полезных ископаемых. Но обычная антенна для них нужна длиной в сотни метров, а чувствительность оставляет желать лучшего.

Квантовые материалы — как капризные цветы: распускаются только в холоде. При комнатной температуре они прячут свои необычные свойства, а при сильном охлаждении становятся сверхпроводниками или меняют магнитное поведение. Чтобы понять, как они работают, нужно рассмотреть их атомы в том самом холоде, где эти свойства живут.

Сейсмометр — это ухо планеты. Он улавливает малейшие дрожания почвы и превращает их в электрический сигнал. Но ухо это не идеально: его чувствительность зависит от температуры. На морозе и в жару прибор слышит чуть по-разному, и это вносит ошибку в измерения.

Один-единственный антипротон, пойманный в ловушку и охлаждённый почти до абсолютного нуля, ведёт себя как камертон, по которому нужно ударить очень точно, чтобы услышать чистый звук. Уловить этот «звук» напрямую почти невозможно — слишком слаб сигнал.

При температуре 0,1 К — это на три десятых градуса выше абсолютного нуля — вещество перестаёт подчиняться привычным правилам. Гелий становится сверхтекучим: он течёт без трения, просачивается сквозь щели и ведёт себя как одна гигантская квантовая жидкость. Увидеть, что происходит внутри такого холода, — задача на грани возможного.

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, недоступные обычным машинам, но их сердце — кубиты — требует сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Управлять кубитами и считывать их состояние обычно приходится из тёплой комнаты, протягивая через холодильник множество кабелей.

Крошечное облако из 300 тысяч атомов иттербия, охлаждённое почти до абсолютного нуля, прокатили на световой дорожке длиной 34 сантиметра — как будто перевезли хрупкий груз по ухабистой дороге, не растряся.