квантование потока

Слоёный пирог из дисульфида молибдена MoS2 лежит на лабораторном столе. Его готовят привычным способом: клейкая лента отрывает верхние слои, чтобы получить тонкий образец. Но под лентой остаётся невидимая полость, где атомные этажи больше не прижаты друг к другу. Именно там электроны начинают вести себя иначе, чем в толще кристалла.

Переводчик, который раньше ловил лишь обрывки фраз, теперь слышит весь разговор целиком. Так и физики, изучающие сильные взаимодействия, долго не могли рассчитать, как две частицы откликаются на удар света, если они не образуют стабильного ядра. В новой работе впервые удалось довести расчёт до конца: от короткоживущей пары пионов до величины, которую можно сравнить с точным правилом сохранения заряда.

Тонкий слой арсенида индия спрятан под сверхпроводящей плёнкой, как голос под шумом толпы. Ток в таком гибриде выбирает путь наименьшего сопротивления и почти весь течёт по металлу, поэтому полупроводник остаётся неслышным для обычных приборов.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

Тонкая плёнка нитрида циркония лежит на подложке из оксида магния. Толщина — две десятых микрона, как у паутинки, но внутри кипит квантовая жизнь. При охлаждении до полукельвина сверхпроводимость в ней не исчезает сразу: она распадается на редкие островки, которые ещё держатся среди беспорядка.

В узком коридоре люди идут не толпой, а рядами. Число рядов зависит от ширины прохода. В графене роль такого коридора играет квантовый точечный контакт — перетяжка, где электроны движутся баллистически, не рассеиваясь.

Сверхпроводящий квантовый интерферометр — это прибор, чувствующий магнитное поле в миллиарды раз слабее, чем стрелка обычного компаса. Внутри него есть узкий мостик, где сверхпроводимость на мгновение прерывается. Этот мостик работает как турникет для магнитного потока: считая, сколько квантов потока прошло, прибор измеряет поле.

Сверхтекучий газ — это квантовое состояние вещества, в котором атомы ведут себя как единое целое, подобно толпе людей, идущих в ногу: каждый атом «знает» направление движения и не выбивается из общего ритма. Но у этой квантовой толпы есть три «долины» — три разрешённых квантовых состояния, соответствующих разным направлениям коллективного движения.

В тёмной комнате едва слышен шёпот. Чтобы разобрать слова, нужно подойти вплотную — или расставить много чувствительных микрофонов. Примерно так рассуждают авторы новой работы: они размещают квантовые «уши» прямо внутри резонатора, где высокочастотная гравитационная волна превращается в электромагнитное эхо.

Два листа селенида вольфрама — не углеродные, а из соединения вольфрама с селеном — поворачивают друг относительно друга на крошечный угол, около 5 градусов. Возникает муаровая картина: увеличенная периодическая решётка, где электроны ведут себя совсем иначе, чем в обычном кристалле. Недавно в таких скрученных слоях нашли сверхпроводимость.

После Большого взрыва, согласно инфляционной космологии, Вселенная пережила стремительное расширение и серию фазовых переходов. В этот период, как полагают теоретики, в ткани пространства-времени могли застыть топологические дефекты — космические струны, доменные стенки, монополи.

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.

Спинтроника сулит передавать информацию не зарядом, а спином, избавляя микроэлектронику от главного врага — джоулева нагрева.

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.

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.

Слаженный оркестр электронов в сверхпроводнике легко сбить с ритма. Тепловые толчки разрушают хрупкий порядок, и сопротивление возвращается. Десятилетиями учёные искали способы укрепить этот ансамбль — в основном меняя состав материала или сжимая его до немыслимых давлений. Но есть и третий, почти бестелесный инструмент: пустота, наполненная электромагнитным гулом.

Длинная труба, по которой катится волна. Если смотреть на неё издалека, труба кажется просто линией — одно измерение потерялось. Примерно так физики получают из 11-мерной теории гравитации (она описывает всё: и частицы, и силы) 10-мерную. Они берут одно измерение и замыкают его в крошечное кольцо, невидимое на больших масштабах.

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.

Узкая длинная сковорода — и тонкий блин застывает на ней неровными полосами. Десятилетиями ученые видели похожую картину, когда моделировали поведение электронов в сверхпроводниках — материалах, проводящих ток без потерь. Они использовали вытянутые «цилиндры», и результат всегда был один: жесткие магнитные «полосы», которые, как считалось, мешают сверхпроводимости.

В сверхтекучем гелии исчезает вязкое трение — жидкость течёт, как горный ручей, но без малейших завихрений, демонстрируя макроскопический квантовый эффект.

Чёрная дыра, возмущённая слиянием, вибрирует на характерных резонансных частотах — подобно тому, как колокол издаёт звук после удара. Каждая дыра обладает индивидуальным спектром этих колебаний, что позволяет астрономам восстанавливать её параметры.

Магнитное поле проникает в сверхпроводник не сплошным потоком, а тонкими нитями — вихрями. Обычно они отталкиваются и выстраиваются в ровную треугольную решётку, как поплавки на воде. Но в CaSb₂ всё пошло иначе: вихри сбились в тесные кучи, а между ними — почти пусто. Каждый вихрь — это крошечная трубка, где сверхпроводимость разрушена, а внутри течёт незатухающий ток.

Внутри сверхпроводника магнитное поле обычно закручивается в трубки — вихри, каждый из которых несёт один квант магнитного потока. Так устроена классическая решётка Абрикосова. Но в кристаллах LiFeAs картина иная. Мюонная спектроскопия показала: поле проникает не отдельными вихрями, а полосами. В каждой полосе — пары «безсердцевинных» вихрей.

Физики пытаются услышать шёпот в шумной комнате. Они строят звуконепроницаемую кабинку, но даже в ней собственное дыхание и биение сердца создают помехи. Примерно так же ищут признаки квантовой гравитации: хотят увидеть, как сила тяжести связывает две частицы в единое целое — запутывает их. Частицы помещают в вакуум и закрывают проводящим экраном, чтобы убрать электрические силы.

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.

Магнитные датчики размером меньше спичечной головки уже умеют ловить слабые поля — например, от сердца или далёкой планеты. Но чтобы сделать их ещё чувствительнее, приходится идти на компромисс: увеличишь одну деталь — потеряешь в другой.

Обычные магнитные измерения видят только поверхность сверхпроводника, где мешают барьеры и вязкие потоки магнитного поля. Внутри же, в так называемом промежуточном состоянии, сосуществуют сверхпроводящие и нормальные домены, разделённые тонкими стенками. Эти стенки могут колебаться, но услышать их напрямую было трудно.

В сверхтекучем гелии вихрь похож на смерч в бутылке, но вместо воды — квантовая жидкость, которая течёт без трения. Такой вихрь не рассеивается сам по себе, поэтому вопрос, куда девается его энергия, долго оставался открытым. Теперь физики впервые увидели ответ: вихрь испускает квант звука — ротон.

Один электрон в магнитном поле — как крошечный волчок, который крутится и слабо «пищит» на своей частоте. Услышать этот писк напрямую почти невозможно: он тонет в шуме. Учёные придумали резонатор — сверхпроводящую микроволновую полоску, которая работает как камертон, настроенный на ту же ноту.

Магнетар — это нейтронная звезда с магнитным полем в сотни миллионов раз сильнее, чем у Земли. Если поднести к такому полю обычный магнит, он мгновенно размагнитится, а атомы вытянутся в тонкие нити.

Тонкий лист графина толщиной в несколько микрометров поместили в слабое магнитное поле — и он начал выталкивать его из себя, как губка выталкивает воду, если её сжать. Этот эффект, известный как эффект Мейснера, — фирменный признак сверхпроводника: материала, который проводит ток без потерь.

Электрический ток в сверхпроводнике похож на толпу, бегущую по коридору без трения. Но в сверхпроводниках второго рода есть препятствия — крошечные вихри магнитного поля, которые ток сдвигает с места. Сдвинулся вихрь — появилось сопротивление, и ток падает.

Магнитные атомы в твёрдом теле похожи на стрелки компасов: обычно при охлаждении они выстраиваются в одном направлении — так возникает магнетизм. Но в веществе TbInO3 стрелки тербия сидят на треугольной решётке, где невозможно угодить всем соседям сразу. Одна стрелка хочет смотреть на север, другая — на юг, и в итоге ни одна не может занять устойчивое положение.

Поверхность кристалла уранового соединения UTe2 похожа на застывшее море: в одних местах электроны свободно движутся, в других — застревают возле атомов. Сканирующий туннельный микроскоп (прибор, который ощупывает поверхность острейшей иглой и чувствует отдельные электроны) показал, что этот пейзаж не случаен.

Обычный сверхпроводник выталкивает магнитное поле, а это кольцо, наоборот, создаёт его внутри себя. Кольцо сделано из материала Fe(Te,Se) — соединения железа, теллура и селена, которое при очень низкой температуре теряет электрическое сопротивление.

Сверхпроводник проводит ток без потерь, как идеально ровная дорога, по которой машины едут без трения. Но что, если на дорогу насыпать камней и ям? Учёные решили проверить это, добавив беспорядок в сверхпроводящий материал толщиной в один атом. Они взяли тончайший слой соединения железа, теллура и селена — сверхпроводник при температуре выше, чем у многих других.

Квантовый эффект Холла — явление, при котором проводимость двумерного электронного газа квантуется в сильном магнитном поле, — долгое время подозревали в сверхтекучести: способности течь без трения, без диссипации энергии.

Жидкий гелий при сверхнизких температурах переходит в состояние сверхтекучести — течёт без трения, словно идеальная смазка. В этой квантовой жидкости рождаются вихри, внешне похожие на обычные водовороты в воде, но с принципиальным отличием: их угловой момент, или сила вращения, квантуется.

Магнит на холодильнике держится потому, что внутри него крошечные атомные стрелки выстроены в одном направлении. Но квантовая механика заставляет эти стрелки дрожать, и общая намагниченность становится меньше идеальной.

Обычный сверхчувствительный датчик магнитного поля похож на весы, которые начинают врать, если положить на них слишком тяжёлый груз. Сигнал от него становится кривым, и приходится добавлять сложную электронику, чтобы выпрямить показания. Эта электроника шумит и мешает работать быстро. Новый датчик — би-СКВИПТ — устроен иначе.