фрустрированный магнит

В мастерской природы есть странный станок: он нарезает резьбу на винтиках, но запрещает левую. Винтик можно закрутить как угодно сильно, в любую сторону по часовой стрелке, но против часовой — нельзя. Этот станок — не выдумка, а точное квантовое правило, которое физики только что построили для магнитных материалов.

В горном массиве есть тропы, которые можно сжать в точку, если идти по ровной долине. А есть кольцевые маршруты, которые невозможно стянуть, не перевалив через хребет. Физики, изучающие квантовые фазы, обнаружили, что их фазовая диаграмма устроена так же: в ней есть замкнутые пути, которые нельзя стянуть в точку, не пересекая область, где энергетическая щель исчезает.

Кристалл хенмилита, напоминающий слоёный пирог из меди и бора, представляет собой спиновую лестницу: спины меди организованы в две параллельные цепочки, соединённые «перекладинами».

Два танцора на одной сцене: треугольник и полоса. В квантовом газе из атомов диспрозия, охлаждённом до 62 нанокельвинов, эти две пространственные структуры впервые столкнулись в одном эксперименте. Газ удерживается в ловушке, похожей на доску для сёрфинга, и атомы в нём — одни из самых магнитных в таблице Менделеева.

Представьте лестницу, перекладины которой — крошечные магнитики. Если соседние магнитики ориентированы противоположно (антипараллельно), лестница находится в «спокойном» состоянии. Но если заставить их выстроиться в одном направлении, вся конструкция намагнитится и станет «упрямой» — возникнет ферромагнитный порядок.

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.

Кристалл PbCuTe₂O₆ представляет собой трёхмерную паутину из атомов меди, теллура и кислорода. Внутри неё магнитные моменты — крошечные стрелки, связанные со спинами электронов, — запутаны так, что не могут выстроиться в привычный порядок даже вблизи абсолютного нуля.

Магнитное зеркало — это открытая с обоих концов труба, в которой магнитное поле устроено так, чтобы удерживать горячую плазму — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц. На концах поле сгущается, образуя «пробки»: частицы, летящие к выходу, отражаются от этих областей и возвращаются обратно.

Квантовая цепочка напоминает гирлянду, где лампочки — это спины частиц. В идеале все лампочки горят синхронно, подчиняясь общему ритму, — это и есть симметрия. Но если отрезать кусок гирлянды, ритм может сбиться: внутри отрезка симметрия нарушается. Физики исследуют цепочку частиц с сильным взаимодействием — модель XYZ.

Радиус звезды падает на тысячу километров. Не потому, что выросла её масса, а потому что собственное магнитное поле сдавило кору, словно невидимый корсет. В центре такого объекта — странный карлик — прячется кварковое ядро: сфера из странной материи весом с Солнце, но диаметром всего в три-четыре километра.

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 привычной гейзенберговской картине спинам при низких температурах надлежит выстроиться в строгий узор. Но есть кристаллы — например, пирохлор, — где геометрия вершит свой суд.

Магнитное поле удерживает микроскопическую частицу в подвешенном состоянии, словно невидимый партнёр в танце. Особая конфигурация поля формирует ловушку с двумя устойчивыми «позициями» — потенциальными ямами. В классической физике танцор занимает лишь одну из них, но в квантовом мире частица способна находиться в обеих одновременно — это явление называется квантовой суперпозицией.

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.

В мире магнетизма долго царила простая дихотомия: ферромагнетики, где спины смотрят в одну сторону, и антиферромагнетики, где они выстраиваются в шахматном порядке, компенсируя друг друга. Но недавний «третий игрок» — альтермагнетики — заставил переписывать правила.

В мире, стремящемся к хаосу, иногда рождается ритм. Химическая реакция Белоусова–Жаботинского десятилетиями поражает воображение: в пробирке сами собой бегут цветные волны, словно живой организм, дышащий материей. Нечто подобное таится в кристаллах, где атомы железа балансируют между двумя магнитными ипостасями — высокоспиновой и низкоспиновой.

Свет от далёкого блазара (активного ядра галактики, бьющего струёй в нашу сторону) идёт к нам миллиарды лет. В пути он порождает ливни заряженных частиц, которые межгалактическое магнитное поле отклоняет в стороны. Так вокруг блазара на небе возникает размытое гамма-свечение — вторичный ореол. Чем слабее поле, тем шире ореол.

Ионный проводник напоминает переполненный автобус, где пассажиры (ионы) пытаются протиснуться к выходу. Раньше считалось, что быстро выйти можно либо если автобус мягко покачивается (мягкая решётка), либо если пассажиры стоят в хаотичном порядке (геометрический беспорядок). Новая работа показывает: это не два разных трюка, а один и тот же.

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.

Кротовая нора — это гипотетический туннель в искривлённом пространстве-времени, соединяющий две удалённые области Вселенной и потенциально сокращающий путь между ними.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, не слушая других. Вдруг, без видимого приказа, соседи по пульту начинают идеально синхронизироваться, но общей мелодии ещё нет. Нечто подобное происходит в некоторых материалах при охлаждении: электроны теряют энергию, словно готовясь к сверхпроводимости, но так в неё и не переходят.

В магнитной ловушке парит микроскопический магнит — его намагниченная ось зафиксирована, подобно стрелке компаса, которой не дают повернуться. Перед ней вырастает энергетический барьер — невидимая стена. Но в квантовом мире частицы способны просачиваться сквозь преграды: это явление называют туннелированием.

Магнитное поле растёт — а намагниченность замирает на месте. Словно весы, на которых груз добавляют, а стрелка не двигается, пока не накопится достаточно, чтобы перескочить на следующую отметку. Именно так ведут себя кристаллы редкоземельных тетраборидов, и физики десятилетиями не могли понять, почему.

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?

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.

Горсть медных монет, рассыпанных по треугольной сетке, застывает в странном порядке, когда через них пропускают ток. Примерно так ведут себя крошечные магнитные стрелки — спины электронов — в кристалле с редким названием Y-капеллазит.

Кристалл La3Ni2O7 похож на слоёный пирог, где начинка из атомов никеля и кислорода чередуется с прослойками лантана. При обычном давлении он не проводит ток без сопротивления, но стоит его сжать или вырастить в виде тонкой плёнки — появляется высокотемпературная сверхпроводимость.

Очередь из людей, которые держатся за руки, но смотрят в разные стороны: одни — на север, другие — на юг. Так устроен p-волновой магнит. Электроны в нём выстраивают свои магнитные моменты (спины) не хаотично, а по строгому волнообразному узору.

В обычном кристалле атомы стоят ровными рядами, как солдаты на плацу. Любое отклонение от этого строя принято считать вредным: беспорядок рассеивает волны и быстро гасит коллективные движения частиц. Но в некоторых материалах специально смешивают разные атомы, чтобы получить так называемую высокоэнтропийную структуру — этакий винегрет, где каждый сорт атомов занимает случайное место.

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.

Согласно Стандартной модели, вакуум — не пустота, а океан виртуальных частиц-призраков — нейтрино и других частиц, почти не взаимодействующих с веществом. Сверхсильное электромагнитное поле, словно шторм, вырывает пары электронов и позитронов в реальность, преодолевая энергетический барьер их рождения.

Треугольная сетка, в узлах которой сидят крошечные магнитные стрелки. По этой сетке бегают электроны — носители тока. Обычно стрелки выстраиваются просто: все в одну сторону (ферромагнетик) или чередуются в плоскости. Но в новой работе учёные показали, что на треугольной решётке всё может быть гораздо интереснее.

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.

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.

Магнитные монополи — как половинки магнита, которые не могут существовать поодиночке в обычном материале. Но в спиновом льду они появляются парами, соединённые невидимой нитью — струной Дирака. Раньше такие монополи видели только в искусственных системах при комнатной температуре, но их квантовое движение оставалось загадкой.

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.

Магнитные материалы иногда ведут себя как спорщики, которые не могут договориться: одни связи между атомами тянут в одну сторону, другие — в противоположную. Когда таких конфликтов много, система «фрустрирована» — она не может найти единое состояние покоя.

Плетёная корзина из бамбука — не просто предмет обихода, а точная схема расположения атомов в кристалле YMn₆Sn₆. Шесть атомов марганца образуют шестиугольники, которые складываются в узор, напоминающий японскую кагомэ. В такой решётке электроны обычно ведут себя одинаково, как пассажиры в переполненном вагоне метро.