эффект Холла

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.

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.

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.

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.

Вихрь в магнитном материале — это как водоворот, но вместо воды закручиваются направления намагниченности. Электрон, пролетая сквозь такой вихрь, чувствует не просто магнитное поле, а искривление пространства: его путь изгибается, словно он катится по воронке с узким горлышком.

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.

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.

Возьмём два тонких листа полупроводника. Один пропитан свободными электронами — как переполненное кафе, где каждый столик занят. Второй, наоборот, полон пустых мест — «дырок», которые жаждут заполниться. Когда эти листы сближают, между ними проскакивает искра притяжения: электроны и дырки начинают ощущать друг друга через тонкий зазор.

Нейрон, передающий сигнал, подобен миниатюрному аккумулятору, который стремительно разряжается и вновь заряжается. На протяжении почти семи десятилетий считалось, что фазу перезарядки обеспечивает особый «калиевый клапан» — ионный канал, открывающийся с задержкой. Новая работа утверждает: этот ток — призрак, артефакт интерпретации.

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.

Ток ионов через мембрану похож на очередь к турникету. Иногда турникет свободен — ионы проходят быстро. Иногда застревает — поток падает. Слабое магнитное поле, как выяснилось, не толкает ионы в спину, а просто меняет число открытых турникетов. Авторы построили равновесную модель, где транспортный канал может находиться в нескольких состояниях — одни проводят ток, другие нет.

Две галактики — наш Млечный Путь и его спутник Большое Магелланово Облако — медленно кружатся друг вокруг друга. Их гравитационное притяжение встряхивает далёкие окраины Млечного Пути, словно камешек, брошенный в пруд, заставляет воду колебаться.

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.

Тонкая плёнка особого кристалла — например, дисульфида молибдена — лежит на предметном столике. Температура чуть выше той, при которой материал становится сверхпроводником.

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.

Сверхпроводник обычно не дружит с магнитом: сильное поле разрушает состояние, в котором ток течёт без сопротивления. Но в тонких слоях углерода всё иначе.

В сверхпроводящем кольце, похожем на шайбу, ток иногда течёт в одну сторону легче, чем в другую. Это свойство называют диодным эффектом. Обычно его направление жёстко задано структурой материала. Но в новой работе физики показали, что его можно переключать — и делает это число магнитных вихрей, запертых в кольце.

Почти сорок лет высокотемпературная сверхпроводимость в купратах остаётся одной из глубочайших загадок физики конденсированного состояния. В обычных металлах электроны спариваются в куперовские пары благодаря колебаниям решётки, но здесь изотопический эффект крайне слаб.

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.

Кротовая нора — это туннель, соединяющий две далёкие области Вселенной. Если бы такая нора существовала и была проходимой, частица внутри неё чувствовала бы не только гравитацию, но и силу от собственного электрического поля. Эта сила зависит от того, как искривлено пространство-время вокруг.

Представьте реку на перекате: поток ускоряется до того, что ни одна волна уже не пойдёт против течения. Так и газ у чёрной дыры: достигнув скорости звука, он запирает сам себя — рождается акустическая чёрная дыра, двойник гравитационной бездны. Здесь горизонт событий соткан из потока, быстрее собственного звука.

Иногда кристалл ведёт себя как переводчик, который отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. В металле ScV₆Sn₆ атомы выстроены в узор кагоме (плетёнка из шестиугольников и треугольников), и при охлаждении в нём возникает волна зарядовой плотности — периодическая деформация электронного облака.

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.

Сверхпроводник похож на идеальное шоссе без светофоров: электроны мчатся без помех. Но стоит подать напряжение, и картина меняется. В новом эксперименте физики обнаружили, что электрическое поле проникает в сверхпроводник и создаёт внутри смешанный режим.

Два тонких слоя полупроводника повернули друг относительно друга на 2,29 градуса — как два листа прозрачной бумаги с нарисованными сетками. Там, где линии почти совпадают, возникает крупный узор из тёмных и светлых пятен. Электроны в этом узоре ведут себя совсем не так, как в обычном кристалле.

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.

Электрический ток в проводе похож на толпу людей, спешащих по коридору. Обычно каждый сталкивается со стенами и теряет скорость почти мгновенно — это и есть электрическое сопротивление. Но в некоторых материалах, как в здании с боковыми залами, носители заряда могут надолго заходить в особые «карманы» (энергетические долины) или подолгу сохранять энергию после толчка.

Два тончайших листа, похожих на слюду, лежат друг на друге. Один сдвигается на долю нанометра — и скромный полупроводник превращается в магнит. Примерно так работают материалы, которые исследовали авторы: слоистые соединения ниобия и тантала с серой или селеном. В обычном состоянии эти плёнки пропускают ток, но не проявляют магнитных свойств.

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.

Ладонь над горячей плитой чувствует жар, даже когда воздух вокруг кажется прохладным. Нечто похожее происходит с электронами в эффекте Ааронова — Бома: частица ощущает электрическое напряжение, хотя влетает в область, где поле уже выключено.

В кастрюле с кипящим супом бурлящие потоки выносят тепло к стенкам, и суп остывает. В токамаке — огромной магнитной бутылке для плазмы — происходит то же самое: вихри турбулентности уносят энергию наружу, мешая зажечь термоядерную реакцию. Но иногда плазма словно сама находит способ успокоиться.

В речном потоке вода нередко закручивается в воронки. Но аналогичное поведение демонстрируют и носители заряда в полупроводниках — основе современных микрочипов. При низких температурах и в образцах исключительной чистоты электроны переходят в особое состояние, напоминающее жидкость.

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.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

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.

Обычный лист чёрного фосфора похож на слоёный пирог из атомов. Если посветить на него обычной лампой, ничего особенного не произойдёт: электроны в нём сидят ровно, как зрители в тёмном зале. Но короткая вспышка лазера, длящаяся миллионные доли миллиардной секунды, встряхивает этот зал.

В сильном магнитном поле электроны, запертые в тонком слое, иногда выстраиваются в ровный узор — как гости на многолюдной вечеринке, которые нашли место, где никто не толкается. Такой порядок называют кристаллом, хотя это не лёд и не соль, а сами электроны, замершие на своих местах. Раньше этот узор лишь предполагали, а теперь его впервые разглядели напрямую.

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.

Представьте две пары качелей, раскачивающихся в противофазе: их усилия взаимно компенсируются, и площадка остаётся неподвижной. Но само движение рождает в воздухе невидимые вихри, способные толкнуть лежащий рядом мячик вбок.

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.