обменное взаимодействие

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.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

Когда тяжёлое атомное ядро раскалывается на два осколка, между ними остаётся невидимая квантовая нить. Эта нить — запутанность: состояние одного осколка мгновенно связано с состоянием другого, как будто они всё ещё единое целое. Физики впервые точно рассчитали, насколько длинной и прочной бывает такая нить, проследив за делением ядра шаг за шагом.

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.

Одиночный атом эрбия, закреплённый на серебряной подложке, хранит квантовую информацию в своём спине — собственном моменте импульса электрона, который можно представить как внутреннее вращение. До недавнего времени для переворота этого спина требовался магнитный импульс — грубый инструмент, который воздействует на соседние атомы и работает медленно.

В 2022 году физики описали новый тип магнетизма — альтермагнетизм. В нём электроны с разным направлением вращения (спином) разделяются по энергии в зависимости от направления движения, как бегуны, которые на одной дорожке ускоряются, а на другой замедляются. Но спин — не единственная степень свободы у частиц.

Камертон, по которому ударили, звучит чисто и долго. Но если во время звучания слегка трясти саму вилку — звук начнёт дрожать и быстро затихнет. Примерно то же самое происходит с электронами в любом куске вещества. Атомы в решётке никогда не стоят на месте: тепловые колебания заставляют их непрерывно подрагивать.

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.

Паркет, где каждая вторая дощечка повёрнута в противоположную сторону, выглядит симметричным. Но если провести рукой, в одном направлении пальцы скользят по волокнам, а в другом — цепляются. Примерно так устроен новый тип магнетизма, который изучали в кристалле AgCrP2S6. В этом слоистом материале атомы хрома выстроены в длинные цепочки — как нитки бус.

Почти сорок лет высокотемпературная сверхпроводимость в купратах остаётся одной из глубочайших загадок физики конденсированного состояния. В обычных металлах электроны спариваются в куперовские пары благодаря колебаниям решётки, но здесь изотопический эффект крайне слаб.

В кристалле, который столетиями называли «золотом дураков», физики разглядели подлинное сокровище. Соединение MnTe2 с пиритной структурой стало сценой для квантового балета: спиновые волны здесь закручиваются в лево- и правосторонние вихри, причём направление закрутки намертво связано с импульсом.

В мире магнетизма долго царила простая дихотомия: ферромагнетики, где спины смотрят в одну сторону, и антиферромагнетики, где они выстраиваются в шахматном порядке, компенсируя друг друга. Но недавний «третий игрок» — альтермагнетики — заставил переписывать правила.

Квантовые спиновые цепочки напоминают шеренгу людей, передающих друг другу секретное рукопожатие: каждый поворачивается к соседу, и от того, насколько крепко они сжали ладони, зависит, как пробежит волна по всей цепочке.

Космос пронизан магнитными полями. Они есть у галактик, звёзд и даже в почти пустых войдах (огромных пустотах между скоплениями галактик). Обычно считается, что поля усиливаются из слабых «затравочных» полей благодаря турбулентности — как динамо-машина. Но природа самих затравочных полей оставалась загадкой. Новая работа предлагает неожиданный механизм.

В некоторых кристаллах магнитные моменты атомов — их микроскопические «стрелки» намагниченности — колеблются согласованно, подобно волне, бегущей по трибунам стадиона. Эта спиновая волна переносит спин без перемещения электрических зарядов, а значит, почти не нагревает материал. Такое течение напоминает невидимую реку — бесшумное и холодное.

Учебники делят частицы на два лагеря: бозоны любят толпиться в одном состоянии, фермионы — категорически нет. Но природа допускает и третий вариант. Энионы — квазичастицы, чьё поведение лежит где-то посередине. Они могут «помнить» о том, как их меняли местами, и подчиняться нестандартному запрету на соседство.

Пространство-время часто уподобляют туго натянутой ткани: массивное тело продавливает её, искривляя путь света. Вращение же закручивает эту ткань спиралью — возникает гравитационная воронка. Она способна запутать пролетающий фотон с самим источником вращения, например, крошечным зеркальцем.

Обычный магнит похож на компас: его стрелка указывает на север. Но квантовый компас способен смотреть в оба направления разом. Если парящий в вакууме магнит осторожно раскрутить, его «волчки»-электроны синхронизируются так, что весь кусок металла начинает жить по законам микромира — замирает в суперпозиции, словно раздвоенный указатель.

Ток пропускают через пружинку из органических молекул — и на выходе электроны крутятся почти все в одну сторону. Этот фокус называют хиральной спиновой селективностью, и он долго не давал физикам покоя. В лёгких атомах спин (собственное вращение частицы) слишком слабо связан с движением заряда, чтобы обеспечить почти стопроцентную сортировку.

Две команды тянут канат с одинаковой силой в разные стороны — канат не двигается, общее усилие равно нулю. Так ведут себя многие антиферромагнетики: магнитные моменты атомов выстроены встречно и гасят друг друга. Но иногда, даже при нулевом общем магнетизме, электроны внутри чувствуют разницу — как будто один конец каната сделан из шёлка, а другой из наждачной бумаги.

В кристалле нитрида бора идеальная атомная решётка местами нарушена: где-то атома не хватает, где-то его заменяет чужой. Под мощным микроскопом эти крошечные изъяны видны как ловушки для электронов — они захватывают частицы и начинают светиться, а ещё отзываются на магнитное поле.

Танцпол заполнен людьми: каждый движется сам по себе, никто не держится за руки. Вдруг музыка становится громче и ритмичнее — соседи начинают хвататься друг за друга, образуя пары, которые кружатся синхронно. Примерно так выглядел эксперимент в лаборатории, где облако атомов лития, охлаждённых почти до абсолютного нуля, заставили резко усилить взаимное притяжение.

Расчёска, проведённая по волосам, притягивает клочки бумаги. Этот простой трюк физики решили применить на микроскопическом уровне — для управления магнитными вихрями, которые называют скирмионами. Скирмион похож на крошечный смерч в море намагниченности: в его центре стрелки компаса смотрят вверх, а по краям закручиваются вниз. Так получается стабильный узел, который не распутывается сам собой.

Жонглёр подбрасывает булавы, сидя на вращающемся стуле. Если он начнёт крутить булавы все в одну сторону, стул поедет в противоположную — иначе нарушится закон сохранения вращения. Примерно так устроен эффект Эйнштейна — де Хааза: в куске железа магнитное поле выстраивает микроскопические магнитики-спины, и весь кусок чуть поворачивается.

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.

Ладонь над горячей плитой чувствует жар, даже когда воздух вокруг кажется прохладным. Нечто похожее происходит с электронами в эффекте Ааронова — Бома: частица ощущает электрическое напряжение, хотя влетает в область, где поле уже выключено.

Если сжать горсть песка в кулаке, он сначала уплотнится, но потом начнёт сопротивляться — крупинкам уже некуда деваться. В недрах нейтронной звезды происходит нечто похожее, только вместо песчинок — элементарные частицы, а вместо руки — чудовищная гравитация.

Представьте стопку магнитных пластинок, где каждая следующая намагничена противоположно соседней. Это слоёный бутерброд, в котором электроны движутся как единый организм. Весь материал начинает подражать аксиону — частице-призраку, почти не взаимодействующей с веществом, которую физики подозревают в том, что она и есть тёмная материя.

Кристалл напоминает пирог с начинкой: слои атомов европия, галлия и алюминия чередуются в строгом порядке. Обычно такие материалы не должны удивлять магнетизмом — слишком симметричны. Но внутри этого кристалла обнаружили магнитные вихри, похожие на крошечные водовороты, которые выстраиваются в аккуратные решётки.

Столкновение частиц на огромной скорости рождает целый ливень новых частиц. Среди них — антипротоны, близнецы обычных протонов, только с противоположным зарядом. У каждой такой частицы есть собственное вращение, как у теннисного мяча, посланного с подкруткой. Но закручены ли антипротоны при рождении — до сих пор никто не проверял.

Кристалл перовскитного иридата SrIrO₃ напоминает строй солдат, где каждый иридий несёт магнитный момент. Когда часть иридиевых «солдат» заменяют оловом, которое магнитным моментом не обладает, строй редеет.

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.

Магнит на холодильнике держится потому, что крошечные атомные стрелки внутри него выстроены в одном направлении. Но если эти стрелки начинают спорить друг с другом — одни тянут влево, другие вправо, третьи крутятся волчком — возникает магнитная фрустрация. Такой беспорядок рождает причудливые узоры: полосы, спирали, вихри.

Крошечный магнит, собранный всего из двух молекул, лёг на поверхность металла — и повёл себя как капризный дирижёр. Обычно электроны в металле движутся согласованно, как толпа на эскалаторе. Но при сильном охлаждении этот порядок ломается, и движение становится непредсказуемым. Именно такое поведение удалось зафиксировать в новом эксперименте.

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.

Магнитная стрелка компаса поворачивается медленно, но внутри некоторых материалов крошечные магнитные моменты способны разворачиваться за времена, которые трудно вообразить. Группа физиков рассчитала, как заставить их менять направление за миллионную долю миллиардной доли секунды. Это быстрее, чем мигает лампочка.

Спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная достигла температуры, при которой электроны и протоны впервые смогли объединиться в нейтральный водород. Этот процесс, известный как рекомбинация, по сути был первой встречей частиц: до того момента экстремальный жар не позволял им удерживаться вместе.

Кольцо из магнитных атомов напоминает хоровод, где каждый участник держит за руки соседей. В обычных магнитах каждый атом имеет свой собственный постоянный магнитный момент, и они взаимодействуют как маленькие стрелки, стремящиеся выстроиться противоположно друг другу.