магнитометрия на алмазах

Прибой набегает на берег не ровным фронтом, а языками пены, которые то сливаются, то расходятся. Магнитные поля внутри материалов ведут себя похоже: они дышат волнами, и до сих пор никто не видел их целиком. Физики из Принстона собрали устройство, которое впервые ловит эти волны так, как радар ловит самолёты, то есть определяет не только силу сигнала, но и его направление, длину и скорость.

Алмаз — не просто украшение. Внутри его кристаллической решётки прячутся дефекты, которые чувствуют магнитное поле лучше многих приборов. Один такой дефект — NV-центр — работает как крошечный компас, но его стрелка колеблется от тепла и шума. Чтобы компас показывал точное направление, нужна калибровка.

Обычная лампа светит ровно, а маяк — короткими вспышками. Учёные из Лондона заставили крошечный алмаз работать как маяк, но не для света, а для радиоволн. Для этого в кристалл добавили немного азота, а затем осветили его зелёным лазером.

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.

Магнитный каркас кристалла EuMnSb2 напоминает строительные леса: марганцевые атомы образуют жёсткие вертикальные стойки, а европиевые — подвижные перекладины. До сих пор не было единого мнения, под каким углом наклонены эти перекладины в покое и как они поворачиваются, когда на леса давит магнитное поле. Обычные методы не давали точного ответа: атомы европия жадно поглощают нейтроны, и сигнал тонет в шуме.

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.

Магнит весом в несколько песчинок парит в воздухе без всякой опоры. Он не касается стенок, не трётся о подшипники — просто висит в магнитной ловушке, как пылинка в солнечном луче. Исследователи заставили эту кроху работать сверхчувствительным компасом: прибор ловит изменения магнитного поля в 23 фемтотесла.

Радиоприёмник размером с ладонь способен измерить мощность сигнала точнее дорогих лабораторных стендов. Внутри нет катушек и антенн — только стеклянная головка и облачко атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы парят в перекрестье лазерных лучей, удерживаемые не магнитами, а силой света — как мошка в капле сиропа.

Глубоко под землёй железо раскалено добела, а давление там такое, что обычный прибор сплющился бы в лепёшку. Чтобы заглянуть в этот мир, физики создали особый микроскоп на крошечных алмазных дефектах (так называемых NV-центрах).

Обычные магнитные датчики теряют чувствительность при уменьшении размеров. Но учёные превратили крошечный алмаз в световой компас. В отличие от ювелирных алмазов, здесь ценны не чистота, а искусственно созданные дефекты — азотно-вакансионные центры (NV-центры), которые и превращают кристалл в компас.

Попытка пересчитать людей в тёмной комнате по звуку дыхания упирается в общий шум — отдельных вдохов не слышно. Похожая задача стоит перед учёными, которые работают с квантовыми спинами в твёрдых телах. Каждый спин (магнитный момент электрона) обладает своим «голосом», но его заглушает технический шум приборов.

Крошечный алмаз с дефектом — атом азота рядом с пустотой в кристалле. Этот дефект, NV-центр, работает как магнитная стрелка: под зелёным светом он светится красным, а яркость свечения зависит от того, куда направлено его магнитное поле. Так измеряют магнитные поля с большой точностью — например, следят за работой одного нейрона или ищут скрытые трещины в материалах.

Спектр вещества — его отпечаток пальцев. Обычно, чтобы его снять, образец помещают в сильное магнитное поле, как в томографе. Но есть способ обойтись вовсе без магнита: регистрировать сигнал от ядер атомов при нулевом поле. До сих пор этот метод страдал от слабой чувствительности, а его сложные спектры было трудно предсказать.

Квантовый компьютер на нейтральных атомах напоминает библиотеку, где книги нужно не просто прочитать, но и быстро вернуть на полку. Долгое считывание результата — как медленный библиотекарь, который задерживает всю очередь. Учёные нашли способ ускорить этот процесс, добавив помощников.

Белый карлик — это то, что остаётся от звезды вроде Солнца после того, как она сбрасывает внешние слои. Остаётся горячее ядро размером с Землю, но с массой, близкой к солнечной. Чайная ложка такого вещества весила бы как грузовик. Некоторые из этих звёзд обладают очень сильными магнитными полями — в миллиард раз мощнее земного.

В лабораториях, где атомы охлаждают почти до абсолютного нуля, даже крошечное изменение магнитного поля сбивает все настройки. Обычные датчики — пластинки Холла или катушки с ферритовым сердечником — стоят в нескольких сантиметрах от вакуумной камеры, потому что сами создают помехи. Но расстояние означает, что они не чувствуют поле именно там, где находятся атомы.

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.

Крошечный алмаз висит в воздухе, удерживаемый электрическим полем, как пылинка в луче света. Внутри него спрятаны дефекты — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустота. Эти дефекты ведут себя как магнитики, которые можно переворачивать лазером и микроволнами. Когда магнитики переворачиваются, они слегка толкают алмаз. Толчок крошечный — как если бы муравей дунул на футбольный мяч.

Тепло внутри клетки — как движение по городу: где-то улицы широкие и поток быстрый, а где-то узкие переулки, и всё застревает. Учёные нашли способ составить карту таких «пробок» для тепла, не вскрывая клетку. Они взяли крошечные алмазы — настолько маленькие, что их не видно глазом, — и положили их на тонкую золотую пластинку.

Превращение лёгких газов, таких как водород и азот, в металлическое состояние — давняя мечта физиков, уходящая корнями в предсказания о поведении вещества при экстремальных давлениях.

Крошечный дефект в кристалле алмаза работает как чувствительная антенна. Если рядом колеблется магнитное поле, этот дефект — азотная вакансия — откликается свечением. Раньше, чтобы услышать сигнал, приходилось накапливать много повторных измерений, как будто слушать шёпот, прижав ухо к двери. Теперь достаточно одного короткого «взгляда».

Щепотка алмазной пыли, брошенная в стакан с жидкостью, работает как сотни крошечных магнитных компасов. Когда рядом появляются молекулы с неспаренными электронами (такие называют парамагнитными), стрелки этих компасов начинают дрожать. По дрожанию можно понять, что за молекула и сколько её.

Пружинные весы в рюкзаке геолога чутко отзываются на каждую гору и впадину под ногами. Но пружина устаёт, и её показания плывут — прибор нужно то и дело сверять с эталоном. Атомный гравиметр знает силу тяжести безошибочно, только он размером с холодильник и не любит тряски.

В алмазе иногда встречается дефект: вместо двух соседних атомов углерода — один атом азота и пустое место. Этот дефект похож на крошечную антенну, которая отзывается на магнитное поле. Учёные направили на такой алмаз лазер и микроволны — и дефект начал выбрасывать электроны.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться» с помощью крошечных дефектов в алмазе — азотно-вакансионных центров. Каждый такой дефект работает как миниатюрный компас, который сообщает, куда повёрнуто поле. Проблема в том, что этих компасов много, а считывать их все подряд — всё равно что переписывать вручную каждую букву в толстой книге.

Камертон звенит на одной ноте, но рядом с ним всегда слышны тихие обертоны — кратные частоты, которые примешиваются к основному звуку. Примерно так же вели себя квантовые датчики частоты: они откликались не только на нужный сигнал, но и на его гармоники — как если бы микрофон ловил не только голос певца, но и эхо от стен.

Крошечный дефект в алмазе — так называемая NV-центр (азот-вакансионный центр, где атом азота соседствует с пустотой в углеродной решётке) — работает подобно микроскопическому уху, способному уловить магнитное «дыхание» сердца. Такие сенсоры функционируют при комнатной температуре и по размеру не превышают песчинку.

В камере с алмазными наковальнями давление сжимает вещество так, будто его закопали на сотни километров вглубь Земли. Внутри этой камеры работают крошечные датчики из алмаза — центры окраски, которые отзываются на микроволны и рассказывают о магнитных полях и температуре вокруг.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться». Для этого берут крошечный алмаз с дефектами — местами, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустует узел решётки. Такие дефекты, как чувствительные стрелки компаса, реагируют на малейшие изменения магнитного поля и испускают свет разной яркости.

Обычный магнитный компас замирает, когда рядом бьёт молния. Резкий скачок магнитного поля сбивает стрелку с толку. Похожая проблема мешала учёным измерять магнетизм материалов в сильных импульсных полях — таких, что включаются на тысячную долю секунды. Новая установка решает эту задачу с помощью лазерного луча.

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.

Клетка не просто лежит на поверхности — она ощупывает её, тянет и толкает. До сих пор приборы ловили только прямые усилия: насколько сильно клетка давит или растягивает опору. Но если взять клетку за «плечи» и слегка повернуть, она ответит скручиванием — и этот поворот до недавнего времени никто не измерял. Учёные придумали микроскоп, который видит вращение.

В кристалле алмаза есть невидимые трещинки — дислокации. Это места, где ряды атомов сдвинуты, как если бы в стопке бумаги один лист вытащили наполовину. Вокруг таких мест возникает напряжение, и оно влияет на то, как материал ломается, гнётся или проводит ток.

В 1930-х годах Фриц Цвики, наблюдая за скоплением Волос Вероники, обратил внимание на аномально высокие скорости галактик: их движение указывало на присутствие огромной скрытой массы, гравитационно связывающей систему.

Квантовые вычисления предъявляют жёсткие требования к носителям информации. В кристаллической решётке алмаза — а точнее, в углероде с искусственно созданными дефектами — биты кодируются ориентацией микроскопических магнитных моментов, или спинов, локализованных на этих дефектах.

Внутри алмазной наковальни — устройства, где два алмаза сжимают образец до сотен гигапаскалей — давление распределено неравномерно. Одни участки сжаты сильнее, другие слабее. Это влияет на результаты экспериментов: вещество может повести себя иначе, чем при идеально равномерном сжатии.