флексоэлектричество

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.

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.

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

Электрики, работающие с высоким напряжением, похожи на водолазов: им нужно видеть, что творится глубоко под водой, но самим туда не спускаться. Для этого нужен датчик, который стоит в стороне от опасного тока и передаёт информацию наверх.

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.

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.

Катушка Теслы потрескивает, и вокруг неё начинает вращаться луч света. Среда, через которую он проходит, ещё стабильна — но поле растёт, и вращение усиливается. Это не фокус, а поведение особых материалов: они связывают электричество и магнетизм. Для такой связи есть фундаментальный предел — предел Теллегена.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

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.

Космос пронизан магнитными полями. Они есть у галактик, звёзд и даже в почти пустых войдах (огромных пустотах между скоплениями галактик). Обычно считается, что поля усиливаются из слабых «затравочных» полей благодаря турбулентности — как динамо-машина. Но природа самих затравочных полей оставалась загадкой. Новая работа предлагает неожиданный механизм.

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.

Обычный магнит похож на компас: его стрелка указывает на север. Но квантовый компас способен смотреть в оба направления разом. Если парящий в вакууме магнит осторожно раскрутить, его «волчки»-электроны синхронизируются так, что весь кусок металла начинает жить по законам микромира — замирает в суперпозиции, словно раздвоенный указатель.

Ток пропускают через пружинку из органических молекул — и на выходе электроны крутятся почти все в одну сторону. Этот фокус называют хиральной спиновой селективностью, и он долго не давал физикам покоя. В лёгких атомах спин (собственное вращение частицы) слишком слабо связан с движением заряда, чтобы обеспечить почти стопроцентную сортировку.

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.

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.

Толстый резиновый жгут скручивают всё сильнее. В какой-то момент он не выдерживает — рвётся и хлещет по сторонам, высвобождая накопленную энергию. Примерно так же ведут себя магнитные поля внутри нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил.

Если сжать обычный кусок металла, он нагреется — это знают даже те, кто накачивал велосипедное колесо. Но что будет, если сжать магнит, в котором атомные стрелки отказываются замирать даже при абсолютном нуле?

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.

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.

Трение расчёски о шерсть рождает искру. Похожий принцип работает в трибоэлектрических наногенераторах — устройствах, которые превращают механические прикосновения в электричество. Проблема в том, что обычные материалы дают слабый заряд.

Магнит на холодильнике держится потому, что крошечные атомные стрелки внутри него выстроены в одном направлении. Но если эти стрелки начинают спорить друг с другом — одни тянут влево, другие вправо, третьи крутятся волчком — возникает магнитная фрустрация. Такой беспорядок рождает причудливые узоры: полосы, спирали, вихри.

Тонкая плёнка мыла на руке повторяет форму ладони, но стоит сжать пальцы — и натяжение меняется неравномерно. Похоже ведёт себя монослой дисульфида молибдена на графитовой подложке.

Кусочек плёнки из оксида цинка лежит на столе. Подносят магнит и начинают медленно поворачивать его вокруг плёнки. Плёнка, толщиной меньше человеческого волоса, начинает менять свои размеры: то сжимается, то растягивается. Это свойство называется магнитострикцией — способностью материала деформироваться под действием магнитного поля.

В тонком слое жидкого кристалла — вещества, которое течёт как жидкость, но молекулы в нём выстроены в порядке, как в твёрдом теле, — рождаются вихри размером меньше толщины человеческого волоса. Эти вихри похожи на крошечные волчки: они могут двигаться, не разрушаясь, и ведут себя почти как настоящие частицы.

Кристалл Fe₃Sn₂ похож на узорчатую решётку, где атомы железа сидят в углах шестиугольников. При обычных условиях их магнитные стрелки выстроены ровно, как солдаты в шеренге. Но стоит сжать кристалл — и строй ломается. Под давлением около 20 гигапаскалей (это как если бы на ноготь поставили двадцать слонов) решётка слегка перестраивается.

В кристалле титаната бария есть встроенное электрическое поле — как у постоянного магнита, только для зарядов. Когда туда попадает вспышка света, она выбивает электроны, и те начинают метаться, сталкиваясь с атомами. Но кристалл не одинаков во всех направлениях: у него есть ось, вдоль которой поле самое сильное.

Кристалл Co2SeO3Cl2 похож на слоёный пирог, где каждый слой — изогнутая сотовая сетка из атомов кобальта. При охлаждении до 25,4 К (−247,75 °C) в этой сетке начинают выстраиваться магнитные моменты атомов, как стрелки компасов, но не все разом, а в четыре этапа — при 25,4, 16,8, 11 и 3 К. Каждый этап — новый узор магнитного порядка.

Кристалл фосфата лития-кобальта похож на шахматную доску, где чёрные и белые клетки — это области с противоположным направлением магнитных моментов ионов кобальта. Эти области называют антиферромагнитными доменами, и до сих пор их было непросто увидеть: обычные методы требовали сложного оборудования или повреждали образец. Группа исследователей нашла способ подсветить эту «доску» инфракрасным светом.

Когда два разных материала прижимают друг к другу, а потом разводят, между ними проскакивает искра. Это знакомо каждому, кто снимал шерстяной свитер в темноте или получал удар током от дверной ручки. Долгое время считалось, что заряды просто перескакивают с одной поверхности на другую из-за различий в свойствах материалов. Но недавние опыты показали: всё сложнее.

Кусок керамики размером с ноготь сжимают в тисках, и он меняет свою внутреннюю структуру, как глина под пальцами. Внутри материала выстраиваются ровные ряды крошечных областей, которые раньше были повёрнуты хаотично. После такого «массажа» кристалл начинает пропускать свет почти как стекло и при этом сильно электризуется, если его согнуть или надавить.

Обычная резиновая полоска, начинённая мелкими железными опилками, в магнитном поле не просто изгибается — она завязывается в устойчивый узел. Такой эффект предсказали и воспроизвели в эксперименте физики, работавшие с магнитоактивным эластомером: силиконовой основой с частицами карбонильного железа.

Кусок золота не притягивает скрепки. Но если взять тонкую плёнку из сплава гадолиния, золота и германия и начать её изгибать, в ней могут появиться магнитные области. Учёные сделали это не руками, а с помощью потока ионов гелия, который проникал в материал через узорчатую маску. Ионы гелия врезались в кристаллическую решётку и слегка растягивали её в одних местах сильнее, чем в других.

Когда вы надавливаете пальцем на кусок мягкого пластилина, он послушно проминается, а потом медленно возвращается к прежней форме. Но если надавить на оконное стекло, оно либо выдержит, либо треснет — никакой плавной деформации. Оба материала — аморфные: их атомы не выстроены в строгую кристаллическую решётку, как в металле. Однако ведут себя они совершенно по-разному.

Кристаллическая плёнка толщиной меньше человеческого волоса лежит на жёсткой подложке, как ковёр, прибитый к полу. Подложка не даёт плёнке свободно менять форму при нагреве — та сжимается и разжимается скованно, теряя чувствительность. В новой работе плёнку отделили от подложки, растворив промежуточный слой в воде.

Внутри каждой клетки есть каркас из нитей — как строительные леса, которые придают ей форму и позволяют двигаться. Эти нити соединяют белки-сцепки: одни просто держат их вместе, как верёвки, а другие работают как крошечные моторы, ползущие по нитям и тянущие их друг к другу. От того, как слаженно работает эта команда, зависит, сможет ли клетка делиться, ползти или менять форму.

Скрученные слои атомов в материале образуют узор из крошечных участков — доменов, каждый из которых может быть наэлектризован в одну из двух сторон, как стрелка компаса, указывающая на север или юг. Раньше такие материалы изучали только целиком, измеряя сразу тысячи доменов, и их общее поведение было похоже на хор, где отдельные голоса не слышны.

Тонкая плёнка из оксида железа SrFeO3 лежит на подложке, которая слегка её растягивает. Внутри плёнки магнитные моменты атомов закручены в спираль, как винтовая лестница. Растяжение изменило эту лестницу: шаг стал короче, а сама ось наклонилась. Причина — в кислороде. Растянутая решётка легче теряет атомы кислорода, оставляя пустоты.

Расплавленный металл похож на переполненный зал, где все ждут сигнала, чтобы начать танец. Кристаллизация — тот самый момент, когда хаос превращается в порядок. Но чтобы танец начался, нужен первый шаг: появление крошечных зародышей кристаллов. Обычно для этого металл приходится сильно охлаждать. Оказалось, что простая тряска может заменить часть охлаждения.