спаривание электронов

При низких температурах многие материалы становятся сверхпроводниками — электрический ток течёт без сопротивления. Но как возникает это состояние, если электроны сначала были заперты в изоляторе? Полвека назад Филип Андерсон предположил, что ответ кроется в особом квантовом танце частиц.

В сверхпроводниках электроны объединяются в пары и текут без сопротивления. Обычно эти пары распределены равномерно, как вода в спокойном озере. Но иногда в материале возникает рябь — пары сгущаются и разрежаются с определённым шагом. Такое состояние называют сверхпроводимостью с волной плотности пар.

Электрон и его античастица — позитрон, существование которой предсказал Поль Дирак, — при встрече на краткий миг образуют связанную систему — позитроний. Это подобие атома, но без ядра: две частицы кружатся вокруг общего центра масс, прежде чем аннигилировать.

Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник. Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект.

Одинокий атом калия попадает в плотное облако из атомов натрия, охлаждённое почти до абсолютного нуля. Такая среда называется конденсатом Бозе — Эйнштейна — все частицы в нём сливаются в единую квантовую волну. Можно было ожидать, что примесь просто подберёт себе одного соседа и образует пару. Но эксперимент показал нечто иное.

Квантовый мир полон сюрпризов. В параметрическом осцилляторе Керра — устройстве, где свет заперт в кольце и раскачивается внешним полем, — недавно заметили странную вещь: пары энергетических уровней сливаются в объятиях. Физики назвали это «спектральным поцелуем» спектроскопия. Слияние уровней — признак квантового фазового перехода в возбуждённом состоянии.

В некоторых материалах электрический ток может течь без малейших потерь — это сверхпроводимость. Но перед тем как стать сверхпроводником, вещество часто проходит через странное состояние: электроны уже чувствуют друг друга и образуют пары, однако дружно двигаться ещё не могут.

С помощью лазерной спектроскопии — метода, который можно сравнить с прослушиванием эха от кристалла: световой импульс возбуждает образец, а отклик рассказывает о внутренней структуре, — физики исследовали слоистый материал.

Внутри кристалла EuRbFe4As4 слои железа и мышьяка чередуются с прослойками европия и рубидия. При охлаждении ниже 15 Кельвинов (–258°C) атомы европия выстраивают свои магнитные моменты в спираль — каждый следующий слой повёрнут на 90 градусов, как ступеньки винтовой лестницы.

Танцевальная площадка полна пар, кружащихся в вальсе. Обычно партнёры движутся в противоположных направлениях: один делает шаг вперёд, другой — назад, чтобы сохранить общий ритм.

Очередь из людей, которые держатся за руки, но смотрят в разные стороны: одни — на север, другие — на юг. Так устроен p-волновой магнит. Электроны в нём выстраивают свои магнитные моменты (спины) не хаотично, а по строгому волнообразному узору.

В мире сверхпроводников электроны не любят одиночества. Обычно они объединяются в пары — куперовские пары — и движутся без сопротивления, как фигуристы, взявшись за руки. Но можно заставить их танцевать вчетвером. Авторы этой работы предлагают схему, где рождаются квартеты Купера — группы из четырёх электронов, обменивающихся партнёрами в быстром ритме.

Два сверхпроводящих берега соединяет мост из магнитного материала. Внутри моста — доменная стенка: узкая граница, где намагниченность разворачивается, как строй солдат, меняющий направление шага. Ток, текущий через такой мост, ведёт себя не как спокойная река, а как поток, огибающий препятствие: он закручивается в петли и меняет силу.

В тёмной комнате вспыхивает инфракрасный лазер, и кусочек чёрного порошка K3C60 на долю секунды начинает проводить ток без сопротивления. Свет бьёт на частоте 10 терагерц — это в тысячу раз быстрее, чем работает микроволновка. Эффект усиливается в сто раз по сравнению с другими частотами. Почему именно эта частота? Учёные построили компьютерную модель и нашли ответ.

Обычный сверхпроводящий кубит похож на качели, которые раскачивает любой порыв ветра. Малейшее изменение электрического заряда рядом — и квантовое состояние уже испорчено. В новой работе физики сделали качели с тяжёлым основанием: заряд на островке кубита может меняться только парами, как будто монетки кидают в копилку строго по две. Это и есть защита от зарядового шума.

Кристалл урана размером с рисовое зерно охладили до пятидесятой доли градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре тепло переносится не хаотично, а строго по правилам квантового мира. Учёные направляли тепло через образец и следили, как оно расходится по разным осям кристалла — это как проверять, куда быстрее растекается вода по складкам бумаги.

В двумерных кристаллах электроны и дырки — квазичастицы, соответствующие отсутствию электрона и несущие положительный заряд, — притягиваются, образуя связанные пары, называемые экситонами. При сильном охлаждении, когда тепловые флуктуации замирают, движения множества экситонов могут синхронизироваться, подобно слаженному танцу.

Два крошечных излучателя, каждый размером с атом, могут вместе сделать то, что поодиночке им не под силу. Речь о рассеянии света — когда свет налетает на частицы и разлетается в стороны. Обычно пара частиц рассеивает свет лишь немного сильнее, чем одна. Но в новых расчётах найден режим, где отклик пары становится огромным — как если бы два слабых фонарика вдруг засветили ярче прожектора.

При температурах вблизи абсолютного нуля некоторые материалы переходят в состояние сверхпроводимости: электрический ток течёт без потерь энергии. Ключевая характеристика здесь — критическая температура, выше которой сверхпроводимость исчезает.

Тонкая плёнка из арсенида индия, лежащая на изолирующей подложке, ведёт себя как термос с двойными стенками: электроны внутри неё почти не отдают тепло окружающему кристаллу. В обычном металле электроны быстро обмениваются энергией с колебаниями атомов, поэтому их температура всегда близка к температуре образца.

Сверхпроводящий кубит — это крошечная электрическая цепь, которая ведёт себя как искусственный атом. В обычном состоянии через неё течёт ток без сопротивления, и энергетические уровни расположены ровно, как ступеньки лестницы. Но если в цепи застревает один-единственный электрон, всё меняется.

Кристалл оксида магния похож на строй солдат: атомы стоят ровными рядами, и по ним бежит электрон. Но стоит электрону задержаться, как ближайшие атомы слегка сдвигаются с мест — словно соседи по шеренге поворачивают головы. Электрон оказывается в ямке из смещённых атомов и уже не может двигаться свободно.

Тёмная материя — невидимый каркас космоса, гравитационно удерживающий галактики и скопления. Её существование впервые заподозрил Фриц Цвикки, изучая скорости галактик в скоплении Волос Вероники, а позже убедительно подтвердила Вера Рубин, измеряя кривые вращения спиральных галактик.

В обычных проводах электроны движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и с атомами решётки, — это порождает электрическое сопротивление, превращая часть энергии в тепло.

Во время сезонных миграций птицы ориентируются по магнитному полю Земли. Ключ к этой способности — белок криптохром, обнаруженный в их глазах. Он улавливает солнечный свет, особенно его синюю часть, и запускает фотохимическую реакцию.

В 1976 году Герард ’т Хоофт заметил, что вакуум калибровочной теории не так прост, как кажется: он обладает топологической структурой, которая проявляется в ненулевой топологической восприимчивости. Эта величина — мера чувствительности вакуума к топологическим конфигурациям полей — требует наличия псевдоскалярного состояния, частицы с нулевым спином и отрицательной чётностью.

Капля чернил в стакане воды быстро размазывается, окрашивая всю жидкость. Так и электроны в металле: они носятся свободно, как молекулы в газе. Но если в эту среду попадает магнитная примесь — атом с собственным магнитным моментом, — начинается странное. При очень низких температурах электроны словно прилипают к примеси, выстраивая вокруг неё облако.