уровень Ферми

Представьте оркестр, в котором скрипки и трубы играют разные партии, но вместе создают мощное звучание. В кристалле слоистого магнетика Fe5GeTe2, легированного никелем, роль таких инструментов берут на себя крошечные области другой фазы — нановыделения Fe6GeTe2.

Слоёный пирог из дисульфида молибдена MoS2 лежит на лабораторном столе. Его готовят привычным способом: клейкая лента отрывает верхние слои, чтобы получить тонкий образец. Но под лентой остаётся невидимая полость, где атомные этажи больше не прижаты друг к другу. Именно там электроны начинают вести себя иначе, чем в толще кристалла.

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.

Горячая вода после душа, тёплый воздух из вентиляции, нагретые стенки двигателя — всё это низкопотенциальное тепло с температурой ниже 100°C. Обычно оно рассеивается в окружающей среде, не совершив полезной работы. Теперь появилась технология, которая позволяет улавливать такое тепло и превращать его в электричество. Внутри нового устройства — проволока из никель-титанового сплава.

В квантовом мире частицы иногда ведут себя как акробаты на невидимых канатах. Поле инстантона — это кратковременный вихрь поля, который возникает и тут же исчезает, меняя топологию пространства. Когда фермион (частица вроде электрона) попадает в такой вихрь, его энергия не стоит на месте. Она плавно сползает с одного уровня на другой, словно шарик, катящийся по горке.

В тесной шеренге атомов, замерших на расстоянии меньше длины световой волны, прячется удивительное состояние. Возбуждение распределено по всем частицам так, что их излучение гасит само себя — это субизлучательное состояние, коллективная квантовая «тишина».

Ветер несёт пыльцу, и каждая пылинка движется будто сама по себе. Но стоит воздуху закружиться вихрем, и траектории пыльцы уже не разделить — они перепутаны. Примерно так ведут себя электроны в странном металле: их движение так сильно связано с мягкими колебаниями среды, что привычные частицы-переносчики исчезают.

Печь раскалена добела, но керамический порошок остаётся рыхлым. Включают электрическое поле — и за несколько секунд материал оседает, твердеет, превращается в прочный монолит. Этот приём называют flash-спеканием (от английского «вспышка»), и он экономит часы обжига и гигаватты энергии. Но что именно происходит с атомами в момент вспышки, оставалось загадкой.

Представьте молекулу как оживлённый рынок: электроны-покупатели заходят через два входа — контакты — и устремляются к прилавкам с самым заманчивым товаром, то есть к химически активным участкам. Долгое время считалось, что ток распределяется по молекуле равномерно, но исследователи обнаружили иную картину: через эти «горячие точки» — реактивные центры — проходит до 90% всего потока.

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.

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.

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.

Атомное ядро — не монолитный шарик, а плотный рой крошечных частиц, кварков, склеенных особым клеем (сильным взаимодействием). В лёгких ядрах, вроде кальция, этот рой устроен просто: число двух сортов кварков — верхних и нижних — почти одинаково, как число белых и чёрных клавиш в октаве.

Медная проволока под током — привычная картина, но внутри неё происходит нечто неожиданное. Сильный электрический ток не просто нагревает металл: он выбивает атомы с их законных мест, оставляя после себя крошечные пустоты — как будто из плотной упаковки шариков внезапно вынули несколько штук. Эти пустоты живут только пока течёт ток, а после выключения исчезают за считанные минуты.

Металл — это море электронов, которые движутся почти свободно, сталкиваясь лишь изредка. Но в некоторых материалах это море вдруг становится вязким и непредсказуемым: электроны перестают вести себя как независимые частицы. Физики называют такое состояние «не ферми-жидкостным», и оно до сих пор остаётся загадкой.

Радиоволны, которые колеблются реже одного раза в секунду, проходят сквозь землю и воду почти без потерь. Такие сигналы используют для связи с подводными лодками и для поиска полезных ископаемых. Но обычная антенна для них нужна длиной в сотни метров, а чувствительность оставляет желать лучшего.

Силовой транзистор на карбиде кремния работает под напряжением, которое в тысячи раз выше розеточного. Если внутри него поле распределится неравномерно, прибор сгорит. Раньше увидеть это поле не могли: оно слишком сильное для обычных датчиков, а прибор при этом должен оставаться под напряжением.

Солнечная вспышка похожа на взрыв в атмосфере: яркая, быстрая, с разными «голосами». Рентгеновские лучи приходят от электронов, которые разогнались и резко затормозили, растеряв энергию. Но в 2017 году детекторы на спутнике Fermi поймали другой сигнал — гамма-лучи, которые не вписывались в эту картину.

Духовка с тремя полками, на которых пекутся разные блюда, — вот образ, который приходит на ум при взгляде на галактику I Zw 18. Верхняя полка раскалена до 21 200 кельвинов, средняя — до 17 290, а нижняя — до 16 170.

Электроны в проводнике обычно ведут себя как газ: носятся хаотично, сталкиваются, не держат строя. Но если их растащить подальше друг от друга и сильно охладить, взаимное отталкивание может заставить их встать по местам — как посетителей в переполненном зале, которые рассаживаются через кресло.

Фундаментальный принцип, открытый Вольфгангом Паули, — принцип запрета Паули — гласит: никакие два фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Танцпол, на котором магнитные моменты и электроны проводимости то ведут, то следуют друг за другом, — такова решётка Кондо в кристалле V5S8.

Высоко над Антарктидой воздушный шар поднял прибор, который ловил электроны из космоса. Эти частицы прилетают от далёких взрывов звёзд и других мощных событий. Прибор измерял их энергию — как силу удара. И вот в одном диапазоне энергий ударов оказалось больше, чем предсказывали расчёты. Первый анализ данных показал широкий горб на графике: будто в потоке частиц появилась лишняя струя.