поверхность Ферми

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.

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.

Крошечный бутерброд из оксидов, выращенный слой за слоем, становится идеально проводящим при температуре около минус 200 градусов Цельсия. Это не фокус, а новая глава в поиске высокотемпературных сверхпроводников.

Облако холодных атомов заперто между двумя зеркалами. Сквозь него пропускают свет, и атомы начинают коллективно излучать — этот эффект называют сверхизлучением. Но атомы не просто «светятся»: их спины (внутренние магнитные стрелки) взаимодействуют со светом двумя разными способами. Один зависит только от интенсивности, второй — от направления поляризации.

Графен, лист углерода толщиной в один атом, ведёт себя как водная гладь — пока не появляется сверхпроводимость. Тогда по нему, словно круги от брошенного камня, расходятся необычные волны: пары электронов движутся без трения. Но в особом, хиральном состоянии эти волны закручены в одну сторону, как вода в сливе ванны.

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.

Долгое время горизонт событий вёл себя как космический диктатор: всё, что пересекало его границу, безвозвратно исчезало из нашей Вселенной. Но квантовая механика, словно голос диссидента, шептала: информация не может исчезнуть бесследно.

В великой симфонии магнетизма долго царил дуэт: громогласный ферромагнетизм и бесшумный антиферромагнетизм, где спины-солисты гасят друг друга. Но недавно в ансамбль вступил третий голос — альтермагнетизм.

Сверхпроводимость и магнитное поле — извечные противники: поле врывается вихрем, разрывая нежное спаривание куперовских пар, уничтожая порядок. Но в материалах с сильными электронными корреляциями, где частицы словно танцуют сложный менуэт притяжения и отталкивания, вражда порой перерождается в союз. Именно это происходит в кристалле уранового дителлурида UTe2.

Почти полтора десятилетия назад гамма-телескоп Fermi зарегистрировал загадочные «пузыри» — гигантские сгустки плазмы, словно надутые невидимыми лёгкими, вздымающиеся на десятки тысяч световых лет от центра Галактики.

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?

Вы ищете тихую комнату для важного разговора. Заходите в помещение — и слышите тишину. Но стоит приглядеться, как выясняется: в одном углу просто сломана вентиляция, а в другом — провал в полу, который гасит звук. Примерно так же физики охотятся за майорановскими нулевыми модами — особыми возбуждениями в сверхпроводниках, которые могут стать идеальными ячейками для квантовых вычислений.

Капля воды на столе живёт двойной жизнью. Внутри молекулы окружены соседями со всех сторон, а на поверхности — только снизу и с боков, сверху же воздух. Эта разница рождает натяжение, которое держит каплю в форме. В квантовом мире похожая история: частицы у края материала часто образуют особые состояния, непохожие на те, что в толще.

Электроны в обычном проводнике ведут себя как хаотичная толпа: сталкиваясь друг с другом и с дефектами решётки, они теряют энергию, что проявляется как электрическое сопротивление. В сверхпроводнике же электроны движутся согласованно, словно пары в слаженном танце, не задевая друг друга.

Когда электрический заряд движется с ускорением, он испускает электромагнитное излучение, то есть свет — это привычное явление в физике. Однако исследователи обнаружили, что при движении по специально подобранной траектории излучение приобретает необычные свойства.

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.

В середине XX века Роджер Пенроуз описал чёрную дыру через понятие «ловушечная поверхность» — замкнутую область, где даже луч света, направленный наружу, неумолимо падает к центру. Ситуация, знакомая каждому: вода в воронке раковины безвозвратно уносится в слив.

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.

Если каждую секунду проверять, где находится электрон, его квантовые свойства меняются. Это похоже на ребёнка, который играет в прятки, но его постоянно окликают по имени — он замирает и перестаёт бегать. В мире частиц такая «окликалка» — это измерение. Оно мешает частицам свободно образовывать общее квантовое состояние, или запутанность.

В сверхпроводнике электроны объединяются в пары, словно танцоры, взявшиеся за руки. Обычно расстояние между ними — размер пары — зависит от того, как быстро они движутся и насколько сильно связаны. Но иногда танцпол почти исчезает, и двигаться некуда. Такое случается в материалах с плоскими энергетическими зонами: здесь электроны почти замирают, и привычные правила перестают работать.

Свет, чью электромагнитную природу впервые описал Максвелл, в разных средах ведёт себя по-разному. В новом исследовании учёные смоделировали двумерный кристалл, который одновременно поглощает свет и обладает магнитными свойствами.

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.

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.

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.

На поверхности тонкой плёнки из оксида висмута-железа видны ровные полоски — как бороздки на вспаханном поле. Что творится под ними, до сих пор оставалось загадкой. Новый прибор под названием DREDI просвечивает материал электронами и за доли секунды строит карту электрических полей на разной глубине с точностью до десяти нанометров — это в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

Пловец, рассекающий воду со скоростью бегущих по ней волн, оказывается в странном положении: волны, которые он сам же и порождает, не могут ни обогнать его, ни отстать. Они скапливаются у носа пловца и застывают. Похожее явление возникает, когда источник света движется внутри вещества со скоростью, совпадающей со скоростью переноса энергии волн.

Кристалл уранового соединения UTe2 похож на слоёный пирог, где электроны текут без сопротивления. Но если рассмотреть его поверхность в микроскоп, видна рябь — как волны на воде от брошенного камня. Эти волны не из воды, а из электрического заряда: электроны собираются то гуще, то реже, образуя периодический узор. Учёные охлаждали образец, прикладывали магнитное поле и меняли сам кристалл.

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.

Лист графена толщиной в один атом скручивают под небольшим углом, и он начинает вести себя как слоёный пирог, где слои слегка повёрнуты друг относительно друга. При определённом угле поворота этот материал становится сверхпроводником: электроны начинают двигаться парами, как танцоры в вальсе, не теряя энергии. Но что именно происходит внутри, до сих пор оставалось загадкой.

Кристалл урана-теллура при сильном охлаждении перестаёт сопротивляться току. Прежде чем это случится, при чуть более высокой температуре, его сопротивление ещё можно мерить — и оно рассказывает о форме невидимых дорожек, по которым бегут электроны. Эти дорожки образуют поверхность в пространстве импульсов — как карта, на которой отмечены все разрешённые скорости частиц.

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.

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.

Электроны в кристалле CrSb ведут себя как стайка рыб: внутри материала они снуют по своим «коридорам», а на границе с вакуумом выстраиваются в причудливые узоры. Эти узоры — поверхность Ферми, карта всех разрешённых скоростей электронов. До неё не дотянуться рукой, но её можно «прощупать» магнитным полем.

Цепочка из атомов красного фосфора напоминает поезд, где вагоны — атомы, а сцепки между ними — химические связи. Иногда сцепки бывают сильнее, иногда слабее, и от этого зависит, как по поезду бегают электроны.

Электрон внутри кристалла напоминает путешественника, который идёт по городу с изогнутыми улицами. Направление его движения постоянно меняется в зависимости от того, где он находится. Физики называют эту особенность геометрической фазой Берри, и она определяет, как материал проводит ток или реагирует на магнитное поле.

Тончайший лист углерода толщиной в один атом помещают в сильное магнитное поле и охлаждают до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Микроволновый микроскоп скользит вдоль кромки листа и измеряет, насколько хорошо этот край проводит электричество. При нейтральном заряде, когда электронов и дырок поровну, край ведёт себя не так, как середина листа.

Тонкая плёнка оксида рутения Sr₃Ru₂O₇, выращенная на чужой кристаллической подложке, ведёт себя как туго натянутая резиновая плёнка: подложка либо сжимает её, либо растягивает. Эти деформации перекраивают «карту» электронных состояний — так называемую поверхность Ферми, которая определяет, как материал проводит ток и реагирует на магнитное поле.

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.

Кристалл CrSb ведёт себя как перекрёсток, где электроны с разным спином выбирают разные полосы движения. В обычном магните все электроны выстраиваются в одном направлении, но в альтермагнетике спины чередуются, как плитка на шахматной доске. Это создаёт сложную карту скоростей, которую трудно разглядеть напрямую.