температура Кюри

Представьте оркестр, в котором скрипки и трубы играют разные партии, но вместе создают мощное звучание. В кристалле слоистого магнетика Fe5GeTe2, легированного никелем, роль таких инструментов берут на себя крошечные области другой фазы — нановыделения Fe6GeTe2.

В зале с танцующими парами зазвучала другая музыка, и пары, что выстроились в линии, вдруг закружились вихрями. Так магнитный кристалл Fe3Ge перестраивает свой внутренний узор, когда температура поднимается выше 375 кельвинов, а это около ста градусов тепла. До этого рубежа магнитные стрелки в кристалле лежат плашмя, как пары, танцующие вальс по кругу.

Внутри Земли, на глубине от 660 до 2900 километров, лежит слой, который называют нижней мантией. Там давление достигает 1,3 миллиона атмосфер, а температура — как на поверхности Солнца. В этих условиях существует минерал давемоит, третий по распространённости в нижней мантии.

Настройка радиоприёмника на станцию, которая меняет частоту при пересечении границы фаз, — так можно представить задачу, стоявшую перед исследователями. В металле YbRh2Si2 электроны ведут себя как «тяжёлые» частицы: их эффективная масса в сотни раз больше массы свободного электрона.

Замороженный оркестр, в котором музыканты меняются местами, когда дирижёр-магнетизм задаёт новую партитуру. В кристалле шпинели атомы железа и магния сидят в двух типах кресел: одни окружены четырьмя соседями, другие шестью. При комнатной температуре они лишь слегка шевелятся, но стоит охладить вещество до 5 К, как начинается массовое переселение.

Глухая комната, где настраивают камертон: малейший шорох сбивает настройку. В мире сверхточных атомных измерений таким шорохом оказывается магнитное поле. Оно незаметно сдвигает частоты переходов, и чтобы получить надёжный эталон, физикам приходилось тщательно калибровать поле.

Тонкая плёнка нитрида циркония лежит на подложке из оксида магния. Толщина — две десятых микрона, как у паутинки, но внутри кипит квантовая жизнь. При охлаждении до полукельвина сверхпроводимость в ней не исчезает сразу: она распадается на редкие островки, которые ещё держатся среди беспорядка.

В слоистом кристалле CrSBr магнитные моменты атомов выстроены, как ноты в партитуре: внутри каждого слоя они смотрят в одну сторону, а между слоями — в противоположные. Такая антиферромагнитная мелодия звучит до 132 кельвинов, а дальше тепловое движение разрушает порядок. Физики научились переписывать эту партитуру, обстреливая кристалл ионами гелия.

Графен — двумерный кристалл углерода толщиной в один атом — способен менять свои магнитные свойства подобно тому, как вода меняет агрегатное состояние: то течёт жидкостью, то застывает льдом.

Лист бумаги с магнитными свойствами — примерно так устроен новый материал 1T-CrS₂. Его слои скреплены слабыми силами, как страницы блокнота, но каждый слой — настоящий магнит. Причём магнит жёсткий: он сохраняет намагниченность поперёк слоёв и не теряет её даже при нагреве выше комнатной температуры. Вырастить такие кристаллы долго не удавалось.

Водопад, который не нагревается от падения, а замерзает, — примерно так ведёт себя газ, стекающий на нейтронную звезду в рентгеновском пульсаре, когда звезда светит тускло. Обычно падающая материя раскаляется добела, но новая работа показывает обратное.

Внутри разрушенных реакторов «Фукусимы» лежат сотни тонн оплавленного топлива — смесь урана, циркония, железа и продуктов деления. Эти обломки называют топливным дебрисом. Их предстоит извлечь, перевезти и надёжно упаковать на десятилетия. Но как поведёт себя эта гремучая смесь при нагреве, сжатии или случайном ударе? Чтобы ответить, нужны точные цифры, а не догадки.

Сверхпроводимость и магнитное поле — извечные противники: поле врывается вихрем, разрывая нежное спаривание куперовских пар, уничтожая порядок. Но в материалах с сильными электронными корреляциями, где частицы словно танцуют сложный менуэт притяжения и отталкивания, вражда порой перерождается в союз. Именно это происходит в кристалле уранового дителлурида UTe2.

Двумерные миры не устают удивлять: здесь даже плавление кристалла — не разрыв симметрии, а вихревой спектакль, открытый Костерлицем и Таулессом. В сердце этого театра — топологические сингулярности, чья энергия и энтропия торгуются о порядке. Этот язык един для сверхтекучести и сверхпроводимости.

Длинная цепочка атомов, и каждый — крошечный магнитик. Они переговариваются друг с другом и с общим полем, словно музыканты в оркестре, которые слышат и дирижёра, и соседей. Когда внешнее поле меняется, оркестр либо играет вразнобой, либо все инструменты вступают синхронно — это и есть квантовый фазовый переход. Обычно такой переход плавный, как постепенное усиление звука.

Горячий чай в морозилке не сразу покрывается льдом. Сначала в нём мечутся крошечные ледяные иголочки — возникают и тают, пока температура не упадёт достаточно, чтобы лёд схватился намертво. Примерно так же вела себя ранняя Вселенная, когда остывала и меняла своё внутреннее устройство.

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.

Металлический брусок при нагреве вдруг становится жёстким, а заодно теряет или приобретает магнитные свойства. В сплавах на основе никеля и марганца такие превращения происходят не плавно, а скачком — атомы перестраиваются в новый порядок, и материал меняет своё поведение.

Кастрюля с водой на плите: чем горячее конфорка, тем быстрее лёд превращается в воду, а вода — в пар. Тепло разрушает порядок. Но иногда природа выкидывает фокус — и от нагрева жидкость застывает, словно лужа на морозе.

Сотни людей на танцполе стоят на равном расстоянии друг от друга — строгий порядок, как в кристаллической решётке. Медленная музыка — это тепловые колебания, от которых танцоры начинают слегка покачиваться. Если музыка становится громче и быстрее, порядок рушится: все смешиваются. Так тепловое движение разрушает упорядоченные состояния электронов в твёрдых телах.

В кристалле Rb1-xV2Te2O спины атомов ванадия выстраиваются в шахматном порядке: каждый спин окружён противоположными. Такой узор называют G-типом антиферромагнетизма. Нейтроны, проходя сквозь образец, рассеиваются на этом узоре и выдают его геометрию — как свет фонарика, проходящий через жалюзи, рисует полосы на стене.

Кристалл железа похож на мозаику из множества плотно упакованных зерен. Там, где одно зерно встречается с другим, возникает граница — узкий шов с нарушенным порядком. Именно в этих швах скрываются сюрпризы для магнетизма. Ученые рассчитали, как атомы железа взаимодействуют друг с другом на трех типах таких границ.

Оксид рутения долго считали образцовым альтермагнетиком — материалом, у которого магнитные моменты соседних атомов направлены противоположно, но не компенсируются полностью из-за особой симметрии кристалла. Новые измерения показали: внутри кристалла никакого магнетизма нет. Вся магнитная жизнь сосредоточена на поверхности.

В тонкой магнитной плёнке, как в переполненном зале, каждый «человек» — это стрелка-спин, которая норовит встать в одну сторону с соседями. Но в углах зала возникают давки — вихри, где стрелки закручиваются и не могут выровняться. Эти вихри живут парами: один крутится влево, другой вправо, и вместе они не дают залу окончательно успокоиться.

Кристалл феррита стронция похож на многоэтажный дом, где на каждом этаже живут атомы железа. Одни этажи «смотрят» вверх, другие — вниз, и их магнитные поля частично гасят друг друга. Но если часть жильцов заменить на алюминий, который не участвует в магнитной игре, то баланс сил меняется.

Вода в чайнике закипает при ста градусах, но если её сильно сжать, она поведёт себя иначе. Примерно так же кварки и глюоны — кирпичики, из которых сложены протоны и нейтроны, — меняют свои свойства в сильном магнитном поле.

Обычно ток в металле действует как кипяток на лёд: он нагревает материал и разрушает магнитный порядок. Но в слоистой структуре из дителлурида вольфрама и ферромагнетика Fe3GeTe2 ток ведёт себя иначе.

Кусок сплава европия и индия при охлаждении в магнитном поле ведёт себя как вода, которая замерзает не сразу целиком, а сначала в одном углу стакана, потом в другом.

Кристалл Fe₃Sn₂ похож на узорчатую решётку, где атомы железа сидят в углах шестиугольников. При обычных условиях их магнитные стрелки выстроены ровно, как солдаты в шеренге. Но стоит сжать кристалл — и строй ломается. Под давлением около 20 гигапаскалей (это как если бы на ноготь поставили двадцать слонов) решётка слегка перестраивается.

Магнитный холодильник будущего не будет жужжать компрессором. Он станет охлаждать продукты за счёт того, что специальный материал нагревается в магнитном поле и остывает, когда поле убирают. Такой цикл похож на сжатие и расширение газа в обычном холодильнике, только вместо поршня работает магнит.

Магнетар — это нейтронная звезда с магнитным полем в сотни миллионов раз сильнее, чем у Земли. Если поднести к такому полю обычный магнит, он мгновенно размагнитится, а атомы вытянутся в тонкие нити.

Магнитные материалы иногда ведут себя как спорщики, которые не могут договориться: одни связи между атомами тянут в одну сторону, другие — в противоположную. Когда таких конфликтов много, система «фрустрирована» — она не может найти единое состояние покоя.

Кристалл меняет свою внутреннюю геометрию, как каркас здания, который слегка перекашивается при землетрясении. В сплаве марганца и галлия (Mn₃Ga) при температуре около 485 Кельвинов (примерно 212°C) происходит магнитный переход: атомы выстраиваются в антиферромагнитный порядок, где соседние магнитные моменты направлены противоположно.

Магнит, как стрелка компаса, любит указывать в определённом направлении. Но что, если этот материал — слоистый, как стопка блинов? Учёные взяли именно такой магнит из соединения хрома, германия и теллура и решили выяснить, насколько сильно он «упрямится» при попытке повернуть его намагниченность.

Кристалл Pr₄Ni₃O₁₀ устроен как трёхслойный бутерброд: слои оксида никеля разделены прослойками празеодима. При охлаждении в нём по очереди включаются три магнитных режима — как если бы внутри бутерброда сначала выстроились спины никеля, потом слегка перестроились, а затем к ним присоединились спины празеодима. Мюоны — тяжёлые родственники электронов — проникают в кристалл и чувствуют внутренние магнитные поля.

Кусок ядерного топлива внутри реактора — это не просто твёрдое тело. При нагреве атомы урана в нём начинают «шевелить» своими магнитными моментами, и это движение меняет теплопроводность и другие свойства.

В твёрдом теле атомы колеблются, передавая механические возмущения — звук. Иногда эта волна не бежит строго прямо, а завивается спиралью, подобно штопору, входящему в пробку. В обычных кристаллах такие «звуковые вихри» — или, точнее, фононы с орбитальным угловым моментом — известны, но в магнитных материалах их долго не удавалось зарегистрировать.

Электроны в кристалле CrSb ведут себя как стайка рыб: внутри материала они снуют по своим «коридорам», а на границе с вакуумом выстраиваются в причудливые узоры. Эти узоры — поверхность Ферми, карта всех разрешённых скоростей электронов. До неё не дотянуться рукой, но её можно «прощупать» магнитным полем.

Магнит, который складывается из слоёв, как стопка блинов, — так устроен материал CrSBr. При низких температурах каждый слой намагничен, но соседние слои смотрят в противоположные стороны, и в сумме их магнитные поля гасят друг друга. Такой порядок называют антиферромагнитным, и он хрупкий: достаточно слегка нагреть материал, и слои размагничиваются.

Магнитная плёнка, разбитая на крошечные ячейки-стрелки, ведёт себя как толпа на площади. Пока холодно, все стрелки смотрят в одну сторону — идеальный порядок. Нагрейте плёнку, и стрелки начнут метаться, как прохожие, потерявшие цель. Где-то между этими крайностями есть момент, когда система перестаёт быть однородной, но ещё не рассыпается в случайный шум.