конденсат экситонов

Три голоса, сливающиеся в один аккорд. В физике квантовых материалов этот образ обретает буквальный смысл: три слоя графена, разделённые тонкими прокладками, заставляют электроны и дырки из разных слоёв двигаться как единая жидкость. Экситонный конденсат — состояние, в котором пары электрон-дырка текут без сопротивления, — раньше наблюдали только в двухслойных системах.

Три голоса, сливающиеся в один аккорд. В физике квантовых материалов этот образ обретает буквальный смысл: три слоя графена, разделённые тонкими прокладками, заставляют электроны и дырки из разных слоёв двигаться как единая жидкость. Экситонный конденсат — состояние, в котором пары электрон-дырка текут без сопротивления, — раньше наблюдали только в двухслойных системах.

Представьте почти пустой танцпол, где редкие посетители движутся каждый сам по себе — хаотично, без связи друг с другом. Но стоит включить определённую музыку и немного охладить зал, как танцоры вдруг выстраиваются в длинные цепочки и начинают двигаться в унисон. Примерно так ведут себя электроны в разрежённом трёхмерном газе.

Кристалл оксида меди выглядит как тёмно-красный камешек. Но когда в него попадает короткий лазерный импульс, внутри рождаются пары: электрон и «дырка» — место, где электрона не хватает. Такая пара называется экситоном и ведёт себя почти как атом водорода: частицы кружатся друг вокруг друга, связанные электрическим притяжением.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Электронные зоны в кристалле — как струны, каждая со своим тоном. Обычно, если струны настроены просто, без хитрых переплетений, то и звук, рождаемый их совместным движением, остаётся простым. В физике это означает, что топология экситона — связанной пары электрона и дырки — наследуется от топологии электронных зон.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

Возьмём два тонких листа полупроводника. Один пропитан свободными электронами — как переполненное кафе, где каждый столик занят. Второй, наоборот, полон пустых мест — «дырок», которые жаждут заполниться. Когда эти листы сближают, между ними проскакивает искра притяжения: электроны и дырки начинают ощущать друг друга через тонкий зазор.

Массивный алюминиевый цилиндр весом в тонну висит в вакууме. Сквозь него проходит гравитационная волна — рябь пространства-времени, — и брусок начинает едва заметно дрожать. Эту дрожь можно услышать как звук: гравитационная волна превращается в фонон — квант звуковых колебаний.

Вода в стакане кажется сплошной, но состоит из молекул. Примерно так же физики долго описывали вещество внутри нейтронной звезды — как однородный суп из протонов и нейтронов. Но настоящие нейтронные звёзды не суп. Это тесная толпа частиц, где каждый нейтрон чувствует соседа. Авторы новой работы отказались от однородной картины. Они взяли за основу необычный инструмент — голографию.

Самый массовый строительный материал на планете — бетон — хранит свои главные секреты на нанометровых масштабах. Его прочность и склонность к медленному течению под нагрузкой определяются микроскопическим гелем кальций-силикатного гидрата (C-S-H), чья структура хаотична, словно застывший вихрь атомов.

В 1984 году мир кристаллографии перевернулся: в сплаве алюминия и марганца обнаружили острые дифракционные пики с симметрией пятого порядка – словно природа насмехнулась над строгими теоремами, запрещавшими повторяющимся узорам иметь оси 5, 8, 10 или 12.

Сверхтекучесть — состояние, в котором материя течёт без трения, — долго оставалась неуловимой в нейтральных бозе-конденсатах экситонов. В отличие от сверхпроводников, где магнитное поле вытесняется эффектом Мейсснера, здесь знаком стал сам голос квантовой жидкости — скорость звука.

В центре многих галактик прячется невидимое облако — гало из тёмной материи. Если эта материя достаточно холодная и лёгкая, она ведёт себя как сверхтекучая жидкость: течёт без трения, а любое вращение в ней закручивается в крошечные квантовые вихри — нити размером с атомное ядро.

Музыканты в оркестре играют каждый свою партию, не слыша других. В идеальном кристалле дисульфида вольфрама на графене экситоны — связанные пары электрон-дырка — ведут себя так же: они почти не смешиваются из-за скрытой симметрии, которую называют долинной.

При температурах в миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля рождается конденсат Бозе–Эйнштейна — состояние, где тысячи атомов маршируют в одном квантовом ключе.

Свет застревает в кристаллической решётке, но не простой, а вывернутой наизнанку — как пчелиные соты, где вместо воска пустота, а рёбра сделаны из материала. Так устроен обращённый опал — трёхмерный фотонный кристалл, который не пропускает свет определённых цветов.

Маятник, который качается сам по себе, без всякого завода, — в квантовом мире такие «маятники» называют кристаллами времени. В них ритмичное движение возникает спонтанно и не затухает. Но до сих пор управлять этим ритмом было почти невозможно: любое вмешательство грозило разрушить хрупкий порядок.

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.

В квантовом мире частицы могут сливаться в единую жидкость, которая течёт без трения. Одна из самых загадочных её форм — дробная квантовая жидкость Холла. В ней электроны или атомы двигаются как единый вихрь, а их заряд дробится на части, словно пирог, нарезанный на идеально ровные куски.

Кастрюля с водой закипает всегда одинаково: сто градусов — и пошли пузыри. С квантовыми жидкостями всё иначе. Когда облако атомов охлаждают почти до абсолютного нуля, оно может превратиться в единую волну материи — конденсат Бозе — Эйнштейна. Но сам переход, как выяснилось, бывает трёх разных типов.

Передача энергии при фотосинтезе напоминает детскую горку: она прогибается под весом одного ребёнка, изменяя траекторию для следующего.

Мироздание — не сплошной монолит, а полотно из бесчисленных квантовых нитей. Пространство-время не течёт как вода, а вибрирует как гобелен на ветру. Долгое время физики видели только общий рисунок, пренебрегая дрожью отдельных нитей. Но если прислушаться, эта дрожь сливается в подобие звука — не слышимого ухом, но похожего на волну в натянутой струне.

Маятник старинных часов качается, потому что его регулярно подталкивает механизм на пружине. А теперь вообразите маятник, который сам решает, когда ему качнуться — и делает это с неизменным ритмом, просто от того, что в комнате тепло и немного сквозняка. Именно так ведут себя временны́е кристаллы, рождённые в сгустках света и вещества внутри полупроводникового чипа.

В тонком бутерброде из полупроводников свет рождает пары — электрон и положительную дырку, которые держатся вместе, как шарик на резинке. Обычно такие пары, экситоны, быстро излучают свет и исчезают. Но есть и другие — тёмные, живущие в сотни раз дольше, потому что их внутреннее устройство запрещает им легко отдавать энергию наружу.

Два тонких листа с нарисованными сотами наложили друг на друга и слегка повернули. Возникает новый узор — муар, похожий на переливы шёлка. Примерно так же повели себя электроны в эксперименте: они выстроились в два слоя, и один слой оказался повёрнут относительно другого ровно на 30 градусов.

Представьте два хора в звуконепроницаемых комнатах на шаткой сцене. Они поют, но не слышат друг друга — воздух не доносит мелодию. И всё же, если сцена дрожит, её вибрации связывают их песни. На этой идее построена новая проверка квантовой гравитации.

Холодное облако атомов похоже на рой светлячков, которые тянутся друг к другу. Притяжение между атомами пытается собрать их в один плотный ком. Но квантовое дрожание — неустранимое движение частиц — мешает кому схлопнуться. Когда притяжение сильное, облако разбивается на отдельные сгустки.

Брошенный камень падает с ускорением, и по времени падения можно вычислить силу тяжести. Учёные повторяют этот опыт с облаком атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Такое облако падает в вакуумной камере, а лазерные импульсы делят его волны, как свет в интерферометре. По сдвигу волн измеряют гравитацию с огромной точностью.

В сверхтекучем гелии вихрь похож на смерч в бутылке, но вместо воды — квантовая жидкость, которая течёт без трения. Такой вихрь не рассеивается сам по себе, поэтому вопрос, куда девается его энергия, долго оставался открытым. Теперь физики впервые увидели ответ: вихрь испускает квант звука — ротон.

В цепочке оптических ловушек, подобно линии прибрежных фортов, удерживаются атомы. Рядом с ними — квантовое море: конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние вещества с нулевым сопротивлением, где частицы движутся как единая волна.

Квантовая точка размером с вирус, зажатая между зеркалами, при короткой вспышке света рождает два фотона. Эти фотоны вылетают парой, и их поляризации — направления колебаний волн — связаны так, что, узнав одну, мгновенно знаешь другую. Такая связь называется запутанностью, и она нужна для квантовой связи и вычислений.

Магнитные волны в сверххолодном газе ведут себя как упругие жгуты. Два или три таких жгута могут сплестись в один узел, который дышит: то сжимается, то раздувается, но не расплетается. Учёные впервые собрали такие узлы в лаборатории и убедились, что их дыхание точно совпадает с расчётами. Газ состоял из атомов двух сортов, которые не смешиваются, как масло с водой.

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.

Тонкая плёнка полупроводника толщиной в один атом напоминает коммунальную квартиру: в ней живут отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные «дырки».

Квантовый эффект Холла — явление, при котором проводимость двумерного электронного газа квантуется в сильном магнитном поле, — долгое время подозревали в сверхтекучести: способности течь без трения, без диссипации энергии.

Двумерный висмут на кремниевой подложке — перспективный материал для электроники будущего. Его края проводят ток без потерь, как скоростная магистраль без светофоров. Но сам висмут нежный: воздух и влага быстро портят его свойства. Химики нашли выход: они поместили висмут под слой графена — прочной углеродной плёнки толщиной в один атом.

Линза «рыбий глаз» — это необычное стекло: его показатель преломления меняется от центра к краю так, что любой луч, выпущенный из произвольной точки, собирается в точке строго напротив. Сделать такую линзу из обычного стекла почти невозможно, но физики нашли обходной путь.

Крошечное облако атомов, охлаждённое до миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, парит в кольцевой ловушке. Оно похоже на светящееся ожерелье, но физики заставили его жить на поверхности невидимого бублика. С помощью лазерных лучей и микроволновых импульсов три внутренних состояния атомов связали в цикл.

Обычная плитка укладывается в периодический рисунок — мотив повторяется снова и снова. Но атомы, эти фундаментальные «кирпичики» вещества, демонстрируют куда более изощрённое поведение: при определённых условиях они самопроизвольно выстраиваются в сложную мозаику, где узор никогда не повторяется, — подобно старинным изразцовым панно с их непериодической, но строгой гармонией.

Квантовая точка размером с несколько тысяч атомов мигает, как неисправная лампочка. То вспыхнет ярко, то почти погаснет. Раньше считалось, что в тёмные моменты она испускает не только одиночные фотоны, но и лишние пары — а это брак для квантовой связи. Новые измерения на отдельных точках показали обратное: у некоторых точек в тусклом состоянии лишних фотонов меньше.