сегнетоэлектрик

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.

В идеальном кристалле титаната свинца атомы выстроены как солдаты на плацу: все электрические диполи смотрят в одну сторону. Чтобы развернуть этот строй на 180 градусов, по старым расчётам требовалась энергия, сравнимая с нагревом кристалла до температуры в миллионы градусов. Такой барьер делал переключение поляризации невозможным, и почти 70 лет физики объясняли наблюдаемое поведение дефектами и границами.

На столе лежит кусок графита, выращенный из газа, как налёт на стенке реактора. Обычно такой материал не годится для превращения тепла в электричество: внутри него электроны и дырки бегут в разные стороны и гасят друг друга. Но если этот кусок поместить в магнитное поле и нагреть с одного края, заряды начинают двигаться в одну сторону, как толпа, которую регулировщик направляет в один выход.

Оркестр без дирижёра может звучать слаженно, если музыканты чувствуют общий ритм. В мире твёрдых тел роль такого ритма играют фононы: кванты колебаний кристаллической решётки. Когда атомы в подложке начинают двигаться по кругу, они способны передать своё вращение магнитному слою, лежащему сверху, и перевернуть его намагниченность.

Микроволновая печь греет еду, но в лаборатории микроволны сделали нечто иное: превратили сверхпроводник в постоянный магнит. Плёнка из оксида иттрия-бария-меди толщиной 300 нанометров, охлаждённая до 80 кельвинов, откликнулась на излучение частотой 5 гигагерц.

В тонком слое жидкого кристалла молекулы обычно ориентированы подобно спичкам в коробке: их длинные оси параллельны, но направления «вверх» и «вниз» распределены хаотично. Чтобы заставить все молекулы смотреть в одну сторону, требуется особое молекулярное устройство. Исследователи нашли химический приём, который делает это почти автоматически.

Если через два спаянных проводника пропустить электрический ток, место спая нагреется или остынет — это эффект Пельтье, на нём работают автомобильные холодильники.

Магнитное поле в термоэлектричестве обычно действует как строгий регулировщик: чтобы тепло преобразовывалось в электричество, поле обязано быть ориентировано поперечно потоку тепла. Если поле лежит вдоль теплового потока, эффект исчезает — так считалось десятилетиями.

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 водном растворе плавают микроскопические шарики — коллоидные частицы. Каждый шарик покрыт длинными полимерными нитями, образующими подобие щётки, и несёт электрический заряд. При определённых температуре и составе раствора такие частицы самопроизвольно выстраиваются в упорядоченные структуры — коллоидные кристаллы.

Выключатель щёлкает — свет загорается. Но представьте выключатель, который при одном и том же нажатии может и включить лампу, и оставить комнату тёмной. Он ещё и помнит, что делал в прошлый раз, а иногда словно подбрасывает монетку, решая, зажечь ли свет. Такое поведение обнаружили в кристалле чёрного фосфора — полупроводнике толщиной в несколько атомных слоёв.

Представьте шоссе, где встречные потоки разнесены не просто по разным сторонам, а по двум независимым дорогам — каждая со своим въездом и выездом. Нечто подобное происходит с электронами в новом типе топологического изолятора, который описали авторы работы.

Представьте дом с пробковыми стенами, который с наступлением морозов вдруг покрывается медными листами. Примерно так ведёт себя соединение FeSb₂, когда из него формируют плёнку толщиной всего в несколько атомных слоёв. В обычных условиях это узкозонный изолятор: электроны в нём локализованы, словно зрители в переполненном зале, не способные свободно перемещаться.

Лист бумаги с магнитными свойствами — примерно так устроен новый материал 1T-CrS₂. Его слои скреплены слабыми силами, как страницы блокнота, но каждый слой — настоящий магнит. Причём магнит жёсткий: он сохраняет намагниченность поперёк слоёв и не теряет её даже при нагреве выше комнатной температуры. Вырастить такие кристаллы долго не удавалось.

При сильном морозе — минус 268 градусов — кристаллическая плёнка перовскита начинает по-разному пропускать свет в зависимости от его поляризации. Луч как будто раздваивается: одна часть идёт чуть быстрее, другая чуть медленнее. Разница в энергии между ними — всего 45 тысячных электрон-вольта, но этого хватает, чтобы чётко разделить два оптических канала.

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.

Согнуть лист бумаги легко. А вот сжать его, толкая с краю, — совсем другое дело: бумага изомнётся, но почти не передаст усилие дальше. Так работает обычная упругость — деформация зависит от того, куда и как надавить. Новая трёхмерная решётка доводит этот контраст до предела.

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.

В мире двумерных материалов порой рождаются состояния столь же необычные, как и хрупкие. Одно из них — дробный аномальный холловский кристалл (FAHC) — словно квантовый кентавр: наполовину упорядоченная решётка, наполовину топологическая жидкость.

Традиционная электроника оперирует зарядом, но спинтроника и зарождающаяся орбитроника мечтают добавить в игру ещё и собственное вращение частиц. В основе лежит эффект Эдельштейна: протекающий ток в материалах со спин-орбитальным взаимодействием Рашбы порождает спиновую поляризацию.

От Солнца к Земле мчится солнечный ветер, но магнитосфера заворачивает поток и лепит из него плазменные хвосты. Тот же мотив — в сердце галактик: джеты из аккреционных дисков чёрных дыр закручены невидимой рукой магнитного поля. А теперь представьте дипольную реку внутри крошечного кристалла.

Двумерные миры не устают удивлять: здесь даже плавление кристалла — не разрыв симметрии, а вихревой спектакль, открытый Костерлицем и Таулессом. В сердце этого театра — топологические сингулярности, чья энергия и энтропия торгуются о порядке. Этот язык един для сверхтекучести и сверхпроводимости.

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.

Кусочек сахара, зажатый пальцами, почти наверняка раскрошится, а не сожмётся ровно. Похожая задача стоит перед создателями квантовых компьютеров. Им необходимо слегка растягивать или сжимать миниатюрные кремниевые пластинки — на них потом размещают кубиты.

Карусель с сиденьями двух типов: одни крутятся по часовой стрелке, другие — против. Если толкнуть сразу все, карусель дёрнется, но останется на месте. Так устроен кристалл вейлевского полуметалла: электроны в нём рождаются парами — «левый» и «правый», и их вклады в ток гасят друг друга, как два одинаковых мотора, включённых навстречу. Физики нашли способ толкать только один сорт сидений.

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.

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.

Каждый электрон — это миниатюрный магнит, обладающий собственным магнитным моментом. В слое хлорида железа толщиной в один атом все эти моменты дружно ориентируются в одном направлении, словно танцоры в идеальном синхронном номере. Обычно природа избегает такого порядка — это и есть высокая энтропия, мера беспорядка в системе, — но квантовые силы заставляют электроны подчиняться.

Если нагреть гвоздь в костре, он удлинится — это знает каждый. Но если нагреть только кончик, а другой оставить холодным, гвоздь не просто станет длиннее: он изогнётся, потому что горячий металл расширяется сильнее холодного. Именно этот изгиб, только на атомном уровне, физики превратили в электричество.

Сверхпроводник похож на идеальный хоровод электронов: они движутся парами, не теряя энергии, словно танцоры, которые никогда не сбиваются с ритма. Но стоит добавить немного магнитных примесей — и в хоровод врезаются посторонние, мешая синхронному движению. Температура, при которой начинается этот танец, падает.

Выложите пол одинаковыми треугольниками — получится скучный повторяющийся узор. А если хочется, чтобы рисунок никогда не повторялся, но плитка была всего одна? Долгое время математики были уверены: так не бывает. Нужны хотя бы две разные фигуры. Знаменитая мозаика Пенроуза — как раз такой случай: ромбы с острыми и тупыми углами складываются в бесконечно разнообразный, но строго упорядоченный узор.

Танцевальная площадка полна пар, кружащихся в вальсе. Обычно партнёры движутся в противоположных направлениях: один делает шаг вперёд, другой — назад, чтобы сохранить общий ритм.

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.

Магнитный вихрь, или скирмион, похож на крошечный водоворот в море спинов — собственных магнитных моментов атомов. Как воронка в реке, он закручивает намагниченность вокруг себя, и этот узор оказывается очень стойким: его трудно разрушить случайной встряской.

Кристалл — как город: если улицы кривые, движение застревает. В кристалле роль улиц играют атомные ряды, а движение — это поток электронов. Малейшая неровность, примесь или смещение атома заставляет электроны рассеиваться. Учёные из нескольких лабораторий научились выращивать кристаллы так, что «улицы» стали почти идеально прямыми. Метод называется горизонтальный перенос вещества.

В крошечном магните информация записана не в том, куда смотрит стрелка, а в том, как чередуются направления его атомов. У антиферромагнетиков эти стрелки компенсируют друг друга, поэтому снаружи материал кажется немагнитным. Запись есть, но прочитать её обычным способом нельзя: состояние как записка, написанная невидимыми чернилами.

Два листа бумаги, сложенные вместе, при нагреве начинают едва заметно ползти друг по другу. Примерно так ведут себя слои дисульфида молибдена — материала толщиной в один атом. При комнатной температуре они самопроизвольно скользят со скоростью около метра в секунду.

Пчелиные соты построены из одинаковых ячеек, но стоит чуть изменить форму одной — и вся конструкция приобретает новые свойства. Примерно так же поступили исследователи, создавая магнит без единого атома металла. Они взяли плоские углеродные молекулы в форме треугольников — триангулены — и выложили их в гексагональную решётку, как пчёлы строят соты.

Если посветить на кристалл FePS3, он ответит собственным свечением — как неоновая вывеска, но гораздо слабее и в инфракрасном диапазоне. Свечение это не случайное: оно зависит от того, как повёрнут кристалл. Учёные взяли образцы от толстого куска до слоя в один атом и увидели четыре полосы света — при 1,24 электронвольта, 1,79, 2,3 и 2,56.

В обычной флеш-памяти бит хранится в одном слое, и его сигнал упирается в потолок: чем тоньше плёнка, тем меньше заряд, который она может удержать. Инженеры годами пытались выдавить из материала ещё немного, но прирост был копеечный. Авторы новой работы пошли другим путём — они поставили два этажа памяти друг на друга и заставили их работать в паре.