диэлектрик

Камера снимает не гонку, а танец атомов. В диоксиде ванадия переход из изолирующего состояния в металлическое происходит за триллионные доли секунды, но до сих пор никто не видел, как именно движутся атомы ванадия и кислорода. Теперь сверхбыстрая электронная дифракция сняла этот маршрут кадр за кадром.

В тонком слое жидкого кристалла молекулы обычно ориентированы подобно спичкам в коробке: их длинные оси параллельны, но направления «вверх» и «вниз» распределены хаотично. Чтобы заставить все молекулы смотреть в одну сторону, требуется особое молекулярное устройство. Исследователи нашли химический приём, который делает это почти автоматически.

Лазерный луч, сфокусированный до размеров пылинки, может удерживать отдельную молекулу, как пинцет удерживает крошечную бусину. Но заполнить сотню таких пинцетов ровно по одной молекуле — задача сродни попытке налить в каждую ячейку яичной коробки по одной капле воды, не пролив ни капли мимо. Обычно ловушки заполняются лишь на 20–50%, а лишние молекулы быстро теряются из-за столкновений.

Если через два спаянных проводника пропустить электрический ток, место спая нагреется или остынет — это эффект Пельтье, на нём работают автомобильные холодильники.

Выключатель щёлкает — свет загорается. Но представьте выключатель, который при одном и том же нажатии может и включить лампу, и оставить комнату тёмной. Он ещё и помнит, что делал в прошлый раз, а иногда словно подбрасывает монетку, решая, зажечь ли свет. Такое поведение обнаружили в кристалле чёрного фосфора — полупроводнике толщиной в несколько атомных слоёв.

Представьте шоссе, где встречные потоки разнесены не просто по разным сторонам, а по двум независимым дорогам — каждая со своим въездом и выездом. Нечто подобное происходит с электронами в новом типе топологического изолятора, который описали авторы работы.

Представьте дом с пробковыми стенами, который с наступлением морозов вдруг покрывается медными листами. Примерно так ведёт себя соединение FeSb₂, когда из него формируют плёнку толщиной всего в несколько атомных слоёв. В обычных условиях это узкозонный изолятор: электроны в нём локализованы, словно зрители в переполненном зале, не способные свободно перемещаться.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

Полярная молекула — это микроскопическая гантель с разнесёнными электрическими зарядами: на одном конце положительный, на другом отрицательный. Такая асимметрия делает их агрессивными: при сближении молекулы либо слипаются, либо разлетаются на большие расстояния, потому что электрические силы между ними очень сильны.

Тонкий бутерброд из двух разных материалов. Через него пропускают электрический ток — и верхний кусочек намагничивается в одну сторону, а нижний в противоположную. Это не фокус, а слоевой эффект Эдельштейна (от английского layer Edelstein effect), который только что описали физики.

Согнуть лист бумаги легко. А вот сжать его, толкая с краю, — совсем другое дело: бумага изомнётся, но почти не передаст усилие дальше. Так работает обычная упругость — деформация зависит от того, куда и как надавить. Новая трёхмерная решётка доводит этот контраст до предела.

Световая волна похожа на верёвку, которую встряхнули: она колеблется в определённой плоскости. Это свойство — поляризация — рассказывает о форме и составе объектов. Но уловить её непросто, особенно если нужно охватить широкий диапазон цветов. Обычно для этого собирают громоздкие системы из линз и фильтров.

В мире, закованном в кристаллическую решётку и охлаждённом почти до абсолютного нуля, материя умеет скрывать свои главные тайны. Квантовая спиновая жидкость — состояние, где спины электронов никогда не замирают даже при нулевой температуре, оставаясь в вечно мерцающей суперпозиции.

От Солнца к Земле мчится солнечный ветер, но магнитосфера заворачивает поток и лепит из него плазменные хвосты. Тот же мотив — в сердце галактик: джеты из аккреционных дисков чёрных дыр закручены невидимой рукой магнитного поля. А теперь представьте дипольную реку внутри крошечного кристалла.

Обычная микроволновая полость напоминает музыкальную шкатулку: она отзывается только на строго определённые частоты — свои собственные ноты. Но что, если заставить её звучать иначе? Учёные изменили правила игры, сделав стенки «односторонними». Внутри такой полости волна может бежать лишь вперёд, не отражаясь назад.

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.

Чем тоньше сегнетоэлектрическая плёнка, тем сильнее деполяризующее поле — диктат классической физики. Представьте карандаш, балансирующий на кончике пальца: чем короче, тем труднее удержать вертикально. Так и нанометровая поляризация норовит исчезнуть.

Представьте многослойную оболочку, где слои металла и изолятора чередуются подобно листам в книге. Такая структура способна сделать скрытый внутри предмет невидимым для наблюдателя. Свет огибает её, как вода плавно обтекает гладкий камень: ни ряби, ни всплеска — ни отражения, ни тени.

Лист бумаги в клетку, лист в ромбик и лист в соты — три разные вселенные для муравья. Сменил лист — и правила движения изменились. Примерно так же электроны ощущают кристаллическую решётку: геометрия диктует, будут они магнитиками, сверхпроводниками или чем-то ещё. В обычных материалах решётка жёсткая, как выгравированная.

Карусель с сиденьями двух типов: одни крутятся по часовой стрелке, другие — против. Если толкнуть сразу все, карусель дёрнется, но останется на месте. Так устроен кристалл вейлевского полуметалла: электроны в нём рождаются парами — «левый» и «правый», и их вклады в ток гасят друг друга, как два одинаковых мотора, включённых навстречу. Физики нашли способ толкать только один сорт сидений.

Представьте две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду. В обычных условиях они стремятся к разделению, образуя четкую границу раздела. Но введите в систему микроскопических пловцов — бактерий, основу которых составляет углерод, — и картина резко меняется.

Ещё Джоселин Белл Бернелл, впервые зарегистрировавшая строгую периодичность радиосигналов, заметила, что некоторые импульсы внезапно пропадают. Сегодня мы знаем: переменность — не каприз, а голос сложнейшей электродинамики.

Два белых листа лежат на солнце — один шершавый, другой гладкий. Какой нагреется меньше? Шершавый рассеивает свет сильнее, и кажется, что он останется прохладнее. Но если покрытие состоит из множества прозрачных стеклянных шариков, логика меняется. Свет блуждает в нём, как в густом тумане, и в какой-то момент перестаёт замечать отдельные капли.

Резиновая лента, которая становится тем толще, чем сильнее её тянешь. В электричестве такое поведение называют отрицательной ёмкостью: чем больше заряда накапливается на обкладках, тем меньше напряжение. Обычный конденсатор работает наоборот — напряжение растёт вместе с зарядом.

Если нагреть гвоздь в костре, он удлинится — это знает каждый. Но если нагреть только кончик, а другой оставить холодным, гвоздь не просто станет длиннее: он изогнётся, потому что горячий металл расширяется сильнее холодного. Именно этот изгиб, только на атомном уровне, физики превратили в электричество.

В стакан с водой падают две крупинки соли. Они растворяются, ионы натрия и хлора расходятся по всему объёму. Школьная истина проста: одинаковые заряды отталкиваются, разные — притягиваются. Но недавние опыты с крошечными шариками в жидкостях показали картину, которая ломает это правило.

Обычный лазер похож на оркестр, где музыканты должны разогреться, прежде чем заиграть в унисон. Сначала нужно накачать энергией достаточно атомов, чтобы они «перевернулись» и были готовы излучать свет — это называют инверсией населённостей. Только тогда вспыхивает луч. Поляритонный лазер играет по другим правилам: его «музыканты» — смесь света и вещества — вступают в дело почти без подготовки.

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.

Тонкая плёнка мыла на руке повторяет форму ладони, но стоит сжать пальцы — и натяжение меняется неравномерно. Похоже ведёт себя монослой дисульфида молибдена на графитовой подложке.

На поверхности тонкой плёнки из оксида висмута-железа видны ровные полоски — как бороздки на вспаханном поле. Что творится под ними, до сих пор оставалось загадкой. Новый прибор под названием DREDI просвечивает материал электронами и за доли секунды строит карту электрических полей на разной глубине с точностью до десяти нанометров — это в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

В молекуле, структурно подобной хлорофиллу и построенной из углерода, центральный атом металла действует как тумблер. Смещение этого атома на доли нанометра позволяет обратимо включать, гасить или усиливать люминесценцию молекулы в сотни раз.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. На нём видны малейшие загрязнения, как пылинки на стекле очков. Десять лет назад графен научились прятать между слоями нитрида бора — это как положить хрупкий лист между двумя кусками пищевой плёнки.

Ковёр лежит ровно, но если его толкнуть с краю, по нему побегут складки. В тонкой плёнке сульфида тантала (1T-TaS2) складки из электронов — волны заряда — застывают, как будто ковёр примёрз к полу. Чтобы сдвинуть их, нужно приложить усилие. Учёные нашли способ управлять этим усилием с помощью электрического поля и магнита.

Луч лазера, закрученный в спираль, похож на воронку в раковине: свет движется не только вперёд, но и по кругу. Такие вихревые лучи уже помогают двигать крошечные частицы и передавать больше данных. Но стоит им пройти через неоднородную среду — и вихрь распадается, как вода из дырявого ведра. Фотоника — наука о свете в микрочипах — нашла способ удержать вихрь.

В тонком слое жидкого кристалла — вещества, которое течёт как жидкость, но молекулы в нём выстроены в порядке, как в твёрдом теле, — рождаются вихри размером меньше толщины человеческого волоса. Эти вихри похожи на крошечные волчки: они могут двигаться, не разрушаясь, и ведут себя почти как настоящие частицы.

Лист графена толщиной в один атом — как гибкая металлическая сетка, по которой электроны носятся почти без препятствий. Сложите два таких листа с небольшим сдвигом, и свойства материала резко меняются: он может стать изолятором, не пропускающим ток.

Клеточная мембрана — это не просто стенка, а проходная с турникетами. В ней сидят белковые каналы, которые впускают и выпускают ионы и тем самым создают электрический заряд — как батарейка, от которой работают нервы и мышцы.

Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.

Когда два разных материала прижимают друг к другу, а потом разводят, между ними проскакивает искра. Это знакомо каждому, кто снимал шерстяной свитер в темноте или получал удар током от дверной ручки. Долгое время считалось, что заряды просто перескакивают с одной поверхности на другую из-за различий в свойствах материалов. Но недавние опыты показали: всё сложнее.

Светящаяся точка размером с молекулу. Через неё пропускают ток — и она вспыхивает, как крошечная лампочка. Так выглядит эксперимент с молекулами красителя на поверхности тонкой соляной плёнки. Когда ток попадает в молекулу, один электрон отдаёт ей энергию. Молекула тут же отдаёт эту энергию обратно — в виде света. Это как качели: толкнули один раз, а они качнулись и замерли.