эффект Холла ферронов

Электроны в сверхчистой плёнке арсенида галлия ведут себя как толпа на перекрёстке, где дорогу задаёт наклон магнитного поля. При нулевом наклоне они образуют сжимаемую жидкость композитных фермионов — частиц, состоящих из электрона и пары вихрей.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так беспорядок в кристалле замедляет электроны: мелкие неоднородности заставляют их петлять, и сопротивление растёт. В дираковском полуметалле PdTe этот эффект впервые удалось увидеть в чистом виде.

Тонкий медный стержень длиной пятнадцать сантиметров медленно скользит поперёк невидимого магнитного пузыря, созданного парой катушек. В центре пузыря, где поле ровное и сильное, стрелка вольтметра стоит на нуле. Стоит сдвинуть стержень к краю, как стрелка оживает, растёт, достигает пика и затем плавно падает.

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.

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

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

Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, как губка выжимает воду. Этот эффект Мейсснера известен почти век, но обычно его рассматривают в плоском пространстве-времени — без учёта гравитации. В сильном гравитационном поле, например, вблизи чёрной дыры, или при релятивистских скоростях картина меняется.

Обычный электрический ток греет провода — это знает каждый, кто трогал зарядку телефона. Но есть ток иного сорта: в нём электроны не бегут толпой в одну сторону, а синхронно вращаются, словно фигуристы в парном катании. Такое согласованное вращение называют спиновым током, и оно почти не выделяет тепла.

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.

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.

Горизонт чёрной дыры — не стена, а скорее односторонняя мембрана. Всё, что пересекает её, исчезает навсегда. Стивен Хокинг показал, что эта граница должна слабо светиться, испуская частицы. Но поймать такое свечение от настоящей дыры невозможно — слишком далеко и тускло. Физики нашли обходной путь: построить «игрушечную» чёрную дыру из магнитных атомов.

Пара чёрных дыр кружится в танце, постепенно сближаясь. Они теряют энергию и вращение — этот процесс называют излучением углового момента. В обычной теории Эйнштейна момент уносят только гравитационные волны.

В 1956 году два радиотелескопа в Джодрелл-Бэнк уставились на Сириус, ловя не изображение, а дрожание интенсивности. Эксперимент Ханбери Брауна и Твисса (HBT) открыл удивительную вещь: корреляции приходящих фотонов способны рассказать о статистике источника — хаотичен ли он, как тепловая лампа, или когерентен, как лазер.

В 1915 году Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хааз показали, что при намагничивании железного стержня тот слегка поворачивается — угловой момент электронов передаётся кристаллической решётке.

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.

Гитарная струна продолжает дрожать даже после того, как музыкант отпустил её, — и это дрожание меняет звук, который слышит слушатель. Примерно так же ведут себя магнитные моменты в кристалле: они выстраиваются в строгий антиферромагнитный порядок (соседи смотрят в разные стороны), но при этом никогда не замирают полностью.

В квантовом мире свой танец. Два сверхпроводящих тороида, уютно удерживающие каждый свой квантованный магнитный поток, кружатся в синхронном вальсе. Между ними — вакуум, ни одной силовой линии, но они безошибочно вторят движениям друг друга.

В кристалле, который столетиями называли «золотом дураков», физики разглядели подлинное сокровище. Соединение MnTe2 с пиритной структурой стало сценой для квантового балета: спиновые волны здесь закручиваются в лево- и правосторонние вихри, причём направление закрутки намертво связано с импульсом.

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.

Космические лучи не летят по прямой. Заряженные частицы, разогнанные до огромных скоростей, петляют в магнитном поле Галактики, словно пылинки в потоке ветра. Обычно считается, что они просто рассеиваются вдоль и поперёк силовых линий.

Море, пронизывающее всё пространство, остаётся невидимым для нас. Это море — тёмная материя, а волны на его поверхности — частицы под названием аксионы. Они настолько лёгкие и неуловимые, что проходят сквозь Землю, не замечая её. Но если эти волны ударяются о берег из особого материала, они могут оставить след — крошечный электрический ток.

Переводчик работает в шумном зале. Гул голосов, звон посуды, обрывки чужих разговоров — кажется, он должен постоянно ошибаться. Но к концу дня его записи идеально совпадают с теми, что он сделал бы в тишине кабинета. Примерно так ведёт себя квантовое правило, которое физики называют аксиальной аномалией.

Обычный фонарик излучает свет симметрично вперёд и назад. Однако в магнитных кристаллах возникает особое квазичастичное возбуждение — аксион, представляющее собой коллективную волну магнитного момента, подобную «волне» на стадионе: атомы последовательно передают друг другу магнитный импульс.

В микромире действует принцип запрета Паули: фермионы — частицы с полуцелым спином, такие как электроны, — не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии. Это фундаментальное правило современной физики заставляет электроны в атомах занимать разные орбитали, придавая веществу объём и структуру.

Гравитация — это не просто сила притяжения, а искривление пространства-времени, как показал ещё Эйнштейн в общей теории относительности. Представьте натянутый батут: массивное тело создаёт в нём воронку, и другие объекты скатываются по её склонам.

Бросьте камешек в пруд — по воде пойдут круги. Ударьте в колокол — он загудит на своей частоте. Чёрная дыра после столкновения с другой дырой тоже «звенит», только вместо звука — дрожь самого пространства. Эти затухающие колебания называют квазинормальными модами (как звон, который постепенно стихает).

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.

Если бросить горсть монет на стол, они лягут как попало. Но в некоторых кристаллах атомы выстраиваются в узор, напоминающий плетёную корзину — решётку кагоме. В металле MgMn₆Sn₆ такую решётку образуют атомы марганца, и при комнатной температуре они действуют как крошечные магнитные стрелки. Только смотрят эти стрелки не строго в одну сторону, а слегка расходятся веером в плоскости слоя.

Сразу после Большого взрыва пространство-время покрылось рябью — гравитационными волнами, словно от брошенного камня. Эти колебания самой ткани мироздания, предсказанные в инфляционной модели Аланом Гутом, растянулись на всю Вселенную. Рябь слегка уплотнила первичное вещество в одних местах и разре́дила в других.

Нейтронная звезда — это бывшее ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. В её сердцевине вещество спрессовано так плотно, что атомы перестают существовать, а протоны и нейтроны растворяются в море кварков.

Представьте стопку магнитных пластинок, где каждая следующая намагничена противоположно соседней. Это слоёный бутерброд, в котором электроны движутся как единый организм. Весь материал начинает подражать аксиону — частице-призраку, почти не взаимодействующей с веществом, которую физики подозревают в том, что она и есть тёмная материя.

Сверхтекучий газ ведёт себя как жидкость без трения. Два облака такого газа соединяются узким мостиком, и через него течёт поток частиц. Это напоминает эффект Джозефсона в сверхпроводниках, только вместо электронов — нейтральные атомы.

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.

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.

Столкновение частиц на огромной скорости рождает целый ливень новых частиц. Среди них — антипротоны, близнецы обычных протонов, только с противоположным зарядом. У каждой такой частицы есть собственное вращение, как у теннисного мяча, посланного с подкруткой. Но закручены ли антипротоны при рождении — до сих пор никто не проверял.

В крошечной магнитной точке, размером меньше микрона, живёт вихрь — намагниченность закручена, как вода в воронке. В центре этой воронки — сердцевина, которая сама вращается по маленькой орбите, будто юла, которую подтолкнули. Если на такую точку направить микроволновый сигнал, вихрь откликнется колебаниями на одной частоте — как струна, задетая смычком.

Магнитная стрелка компаса поворачивается медленно, но внутри некоторых материалов крошечные магнитные моменты способны разворачиваться за времена, которые трудно вообразить. Группа физиков рассчитала, как заставить их менять направление за миллионную долю миллиардной доли секунды. Это быстрее, чем мигает лампочка.

В кристалле-изоляторе тепло обычно распространяется от горячего конца к холодному. Но если включить магнитное поле, часть теплового потока заворачивает в сторону — как вода, которая, стекая с горки, слегка уходит вбок, когда её подталкивает ветер. Такое поведение называют тепловым эффектом Холла.

Если толкать тепло через кусок кварца, оно обычно идёт прямо, как вода по трубе. Но стоит включить магнитное поле, и поток слегка сворачивает вбок — будто труба вдруг дала боковое ответвление. Такой эффект называют тепловым эффектом Холла, и до сих пор не было ясно, что именно заставляет тепло отклоняться: беспорядок в кристалле или что-то более фундаментальное.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не пустой и тихой, а наполненной горячей плазмой, частицами и магнитными полями. Среди частиц, возможно, были аксионы — лёгкие и почти неуловимые кандидаты на роль тёмной материи.