ферми-жидкость

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.

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.

Электроны в твёрдом теле обычно либо свободно бегают (металл), либо заперты на месте (изолятор). Но иногда сильное взаимное отталкивание запирает их в половинчатом состоянии: заряды стоят, а спины — маленькие магнитные стрелки — продолжают жить своей жизнью. Это называют моттовским изолятором.

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.

Недра нейтронных звёзд — это царство вырожденной материи. Здесь протоны сжимаются в сверхпроводящий конденсат, пронизанный квантовыми вихрями. Представьте крошечные магнитные волчки: каждый несет квант магнитного потока и скользит сквозь электронную жидкость.

В длинном коридоре толпа людей старается держаться подальше друг от друга. В просторном зале они бы просто разошлись, но здесь стены сжимают так, что приходится двигаться гуськом, согласовывая каждый шаг. Похожим образом ведут себя электроны в слоях графена, повёрнутых один относительно другого на крошечный угол.

Камешек падает в пруд — и по воде расходятся круги. В квантовом мире пруд состоит не из воды, а из множества одинаковых частиц, и камешек — тоже частица, только чужая. Такую чужую частицу называют поляроном Ферми. Десятилетиями физики изучали, как полярон чувствует себя на одном месте. Но что происходит, когда он начинает двигаться?

Квантовый мир полон перевоплощений. Иногда система, собранная из одних частиц, начинает вести себя так, будто в ней завелись совсем другие. Например, в цепочке бозонов — «общительных» частиц, любящих собираться в одном состоянии — могут неожиданно проявиться фермионы, которые обычно держатся особняком.

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.

Рой светлячков почти не сталкивается, но синхронно меняет цвет, обмениваясь сигналами. Так ведут себя нейтрино в плотных потоках от коллапсирующих звёзд: они коллективно превращаются из одного типа в другой, хотя поодиночке взаимодействуют крайне слабо.

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.

Солнечный свет падает на кремниевую пластину — и в цепи возникает ток. Это привычная работа фотоэлемента: свет выбивает электроны, а p-n переход (граница двух слоёв с разной проводимостью) заставляет их двигаться в одном направлении. Но в некоторых кристаллах ток рождается иначе — без всяких переходов, просто за счёт того, как сам материал устроен внутри. Среди таких откликов выделяют два.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр пытается уловить общую мелодию. Примерно так физики смотрят на электроны в купратах — керамических материалах, которые проводят ток без сопротивления при температуре выше жидкого азота. Главные действующие лица — атомы меди и кислорода. Между ними электроны перепрыгивают, взаимодействуют и создают удивительный эффект.

Мозаичный пол из множества мелких плиток, повёрнутых в разные стороны. Казалось бы, любой узор, который пытается пройти сквозь такой пол, должен сбиться и исчезнуть. Именно так обычно думают о беспорядке в кристаллах: если атомы не выстроены в идеальную решётку, тонкие квантовые эффекты должны разрушиться.

Танцпол заполнен людьми, которые движутся каждый сам по себе. Вдруг часть из них разбивается на пары — кружатся, почти не замечая соседей, а остальные выстраиваются в цепочки. Примерно так ведут себя атомы в металле CsCr₃Sb₅ — одном из представителей кагоме-металлов, чья кристаллическая решётка напоминает плетёную корзину.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

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.

Плетёная корзина из ивовых прутьев держит форму за счёт переплетения. Похожий узор — треугольники, сцепленные в плоскую сетку — обнаружили в новом кристалле с формулой Cs₃V₉Te₁₃. Здесь атомы ванадия образуют два набора треугольников, которые пронизывают друг друга, как нити в ткани. Этот узор не просто красив: он заставляет электроны двигаться по особым «плоским» энергетическим дорожкам.

Внутри куска металла электроны не сидят на месте, а движутся, как вода в реке. Но увидеть это движение напрямую нельзя — слишком быстро и мелко. Учёные придумали обходной путь: они берут «застывшие снимки» электронной жидкости при разных температурах, а потом по этим снимкам восстанавливают, как именно электроны двигались. В новой работе сравнили два способа такой реконструкции.

Граница между двумя жидкостями — как невидимая кожа: она есть, но потрогать её пальцем нельзя. Учёные нашли способ измерить её упругость, не прикасаясь. Они заставили крошечный зонд колебаться над поверхностью, а между зондом и границей оказалась тонкая плёнка жидкости.

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 окружают нас, но глаз их не видит. Новый датчик размером с ноготь превращает их в цветное пятно на маленьком экране. Внутри чипа — слой жидких кристаллов, тех самых, что в экранах телефонов. Среди них вплетены тонкие ферромагнитные проволочки. Когда приходит радиоволна, проволочки быстро нагреваются. Тепло передаётся кристаллам, и те меняют расположение молекул.

Физики заперли облачко атомов лития в оптический резонатор — между двумя зеркалами. Свет мечется внутри, словно в эхо-комнате, многократно отражаясь, и заставляет атомы синхронно излучать. Возникает сверхизлучение — коллективное испускание фотонов, подобное хору, где отдельные голоса сливаются в единый гром.

Лист бумаги в сотни раз тоньше человеческого волоса — примерно такой толщины плёнку из оксида ванадия вырастили учёные. Внутри этой плёнки электроны, крошечные носители электрического тока, движутся почти без столкновений. Словно машины на пустой ночной трассе, они разгоняются и не теряют скорость.

На поверхности крошечной сферы электроны выстраиваются в узоры, похожие на рябь на воде. Физики давно заметили, что эта простая картинка удивительно точно описывает поведение квантовых систем. Но почему она работает, оставалось загадкой. Авторы новой работы разобрали математический механизм, стоящий за этой моделью. Оказалось, что движения электронов на сфере можно описать как колебания маятника.

Слой электронов, запертый между двумя пластинами полупроводника, при низкой температуре выстраивается в аккуратную решётку — как бусины на нитке, натянутой между пальцами. Стоит температуре подняться, и порядок рушится: кристалл плавится. Но как именно он тает, долго оставалось загадкой.

Мозаика Пенроуза — это покрытие плоскости двумя типами плиток, которое никогда не повторяется, создавая апериодический узор. Открытая Роджером Пенроузом как математический курьёз, она неожиданно нашла физическое воплощение в квантовом мире.

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