гелий

Прозрачная плёнка оксида висмута-вольфрама лежит на подложке и не проводит ток. Три минуты в облаке азотной плазмы, и она чернеет, а сопротивление падает в миллиард раз. Секрет не в новых атомах, а в перестановке старых: пустые места, где раньше сидел кислород, выстраиваются в ровные ряды, как солдаты по команде. Эта шеренга пустот становится дорогой для электронов.

Нейтрон — частица, которая обычно стабильно «сидит» в ядре атома и не исчезает. Но некоторые теории предполагают, что изредка он может превращаться в своего невидимого двойника — гипотетическую частицу, которую невозможно поймать обычными детекторами.

В слоистом кристалле CrSBr магнитные моменты атомов выстроены, как ноты в партитуре: внутри каждого слоя они смотрят в одну сторону, а между слоями — в противоположные. Такая антиферромагнитная мелодия звучит до 132 кельвинов, а дальше тепловое движение разрушает порядок. Физики научились переписывать эту партитуру, обстреливая кристалл ионами гелия.

Атом гелия — как туго натянутая струна: каждая нота, которую он издаёт, строго предсказана квантовой теорией. Но в последние годы точные измерения одной из таких «нот» — энергии ионизации возбуждённого атома гелия, то есть энергии, необходимой, чтобы вырвать электрон из возбуждённого состояния, — стали звучать чуть выше, чем положено.

Медная пластинка размером с монету испаряется под ударом лазера за миллиардные доли секунды. Горячее облако меди врезается в холодный гелий, как струя пара в морозный воздух. На снимках виден чёткий пузырь с тонкими нитями по краям — плазма не расширяется ровно, а распадается на волокна толщиной с человеческий волос.

Кристалл йодида натрия, активированный таллием (NaI(Tl)), — своего рода фотоплёнка для невидимых частиц. Когда в него попадает гамма-квант или гипотетическая частица тёмной материи, он испускает слабую вспышку света — сцинтилляцию. Два кремниевых фотоумножителя, прижатые к торцам кристалла, регистрируют эту вспышку с двух сторон.

Мост, по которому пешеходы и велосипедисты движутся в одном потоке, не мешая друг другу. Примерно так работают гибридные системы из сверхпроводников и полупроводников: одни переносят ток без потерь, другие управляют этим током. Но чтобы построить такой мост, нужен сверхпроводник, который не боится сильного магнитного поля и не разрушает хрупкую полупроводниковую основу при изготовлении.

Радиотелескоп с пятисотметровой тарелкой FAST зарегистрировал сигнал на длине волны 21 сантиметр — это спектральная линия излучения холодного нейтрального водорода. Сигнал исходил от облака, получившего название Cloud-9. Оно находится вблизи галактики M94, но не содержит ни одной звезды.

Первые три минуты после рождения мира — космическая кухня, где природа готовила самые лёгкие атомные ядра. Рецепт задан гравитацией: она управляет темпом остывания горячего «бульона» из частиц. Если гравитация работала иначе, чем мы привыкли, то и блюдо получилось бы другим — с иным количеством гелия и дейтерия.

В 2024 году команда Дэвида Шарбонно направила телескоп Magellan со спектрографом WINERED на LHS 1140. В момент транзита спектроскопия высокого разрешения поймала линию поглощения метастабильного гелия на 10833 Å.

В раскалённом ядре звезды два ядра гелия сближаются, как два танцора на переполненной сцене. Их танец — альфа-рассеяние, основа звёздного горения гелия. От плавности их кружения зависит, как быстро звезда сжигает своё топливо. Раньше этот танец описывали упрощённо.

Представьте: сверхтекучий гелий-3 в тонкой плёнке получает резкий тепловой удар. В этот миг в нём просыпается целый оркестр коллективных колебаний — словно удар в невидимый барабан рождает многозвучный аккорд. Механизм Киббла–Зурека, знакомый по растрескиванию льда при быстрой заморозке, здесь обретает квантовое изящество.

В кипящей воде можно увидеть прообраз квантового фокуса: если часть жидкости превратить в долгоживущие пузыри пара, основная масса остынет. Именно это происходит при резком ударе по системе взаимодействующих электронов: вспыхивают дублоны — связанные пары частиц, которые вбирают в себя лишнюю энергию и не распадаются поразительно долго.

Скопление галактик Персея — гигантский мегаполис из тысяч звёздных островов, залитый невидимым океаном раскалённого газа. Этот газ, словно городской смог, хранит следы всех химических заводов, что работали в галактиках миллиарды лет: взрывов сверхновых, которые разбрасывают по округе свежевыкованные атомы.

Три поплавка на воде колышутся хаотично. Но три атома гелия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, ведут себя иначе — словно подчиняются невидимому закону подобия. Их взаимное притяжение настолько слабое, что атомы образуют рыхлое облачко. Его размер можно менять, а форма всегда остаётся одной и той же — как у матрёшки, которую уменьшают или увеличивают, не меняя росписи.

В густонаселённом центре галактики две звезды кружатся так близко, что одна сдирает с другой внешние слои — как ветер сдувает верхнюю одежду. Остаётся горячее гелиевое ядро, звезда без водородной оболочки. Лёгкие и очень массивные звёзды такого типа астрономам хорошо знакомы: первые называют горячими субкарликами, вторые — звёздами Вольфа-Райе.

Спичка вспыхивает с двух концов. Сначала загорается головка, а через мгновение пламя охватывает и саму деревянную палочку. Нечто подобное, возможно, происходит в некоторых сверхновых типа Ia — только вместо спички белый карлик (звезда размером с Землю), а вместо огня — термоядерный взрыв.

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

Кастрюля с водой на плите: чем горячее конфорка, тем быстрее лёд превращается в воду, а вода — в пар. Тепло разрушает порядок. Но иногда природа выкидывает фокус — и от нагрева жидкость застывает, словно лужа на морозе.

Свет далёкой звезды просачивается сквозь газовую оболочку планеты — и астрономы пытаются угадать, из чего эта оболочка состоит. Так изучают атмосферы миров, которые невозможно потрогать. Когда планета проходит перед диском своего солнца, её газовая вуаль ненадолго перехватывает часть лучей. В этом свете, словно крошечные тени, остаются отпечатки атомов и молекул — у каждого свой уникальный узор.

Детектор, заполненный сверхтекучим гелием-4, похож на идеально тихое озеро. Жидкость не плещется, не пузырится — она замерла в едином квантовом состоянии. Сквозь неё пролетает невидимый гость — частица тёмной материи. Сама она не светится и не оставляет следа. Но иногда задевает ядро атома гелия. Ядро получает слабый толчок и сдвигается.

Альфа-частица — это ядро гелия, которое вылетает при распаде тяжёлых атомов. Попадая в кристалл нитрида галлия, она отдаёт ему свою энергию и рождает электрический импульс. По высоте импульса можно узнать, сколько энергии было у частицы.

Когда в мозг вживляют тончайший электрод, тело воспринимает его как занозу. Вокруг нарастает рубец из глиальных клеток — плотный изолирующий чехол, который гасит сигнал, как мокрая тряпка глушит струну. Электрод перестаёт слышать нейроны. Инженеры попробовали покрыть электрод гидрогелем — мягкой водянистой «подушкой», похожей на контактную линзу.

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.

В тёмной комнате фонарик высвечивает только то, что попадает в его луч. Примерно так физики изучают атомы: короткая вспышка света выбивает электроны, и по их следам можно понять, как устроен атом. Но у гелия есть состояния, которые в обычный «луч» не попадают — они прячутся в тени.

В гелии, охлаждённом почти до абсолютного нуля, жидкость перестаёт тереться сама о себя и начинает течь без малейшего сопротивления. Физики запустили в такой сверхтекучий гелий крошечные полимерные шарики — от одного до шести микрометров, как бактерии, — и следили за их падением сквозь лазерную подсветку. Шарики светились, и их пути записывала камера.

В первые минуты Большого взрыва Вселенная приготовила первичный нуклеосинтез — коктейль из лёгких элементов: водорода, гелия и щепотки лития.

Сверхтекучесть — состояние жидкости, в котором она течёт без трения, не теряя энергии. Гелий-3, редкий изотоп, обретает это свойство лишь при температурах в тысячные доли градуса выше абсолютного нуля.

Атомное ядро гелия-5 — как перетянутая струна: чуть тронь, и оно разваливается на гелий-4 и нейтрон. Поймать такой распад и измерить его скорость — задача не из лёгких. Обычные методы расчёта спотыкаются о математические помехи. Исследователи взяли надёжный способ описания ядерных сил и добавили к нему хитрый приём — аналитическое продолжение.

Ниобий — металл, который при охлаждении до нескольких градусов выше абсолютного нуля проводит ток без сопротивления. В лабораториях его наносят тонкими дорожками на подложку, как крем на торт. Но в процессе нанесения из специальной маски в металл проникает кислород, и он портит сверхпроводящие свойства.

Спустя примерно 400 миллионов лет после Большого взрыва — события, породившего пространство и время, — инфракрасный телескоп Джеймса Уэбба зафиксировал яркое пятно вблизи галактики GN-z11. Оно напоминало далёкий маяк, чей свет пробивался сквозь первозданную тьму ранней Вселенной.

Луч углеродных ионов бьёт точно по опухоли, как хирург, который видит только до кожи. Внутри тела луч останавливается, и где именно — раньше было загадкой. Теперь в тот же луч подмешивают гелий: он проходит тело насквозь, как рентген, и по его следу видно, куда попал углерод.

Столкновение на огромной скорости выбило нейтрон из ядра гелия-8, и на мгновение возникло ядро гелия-7 — как перегруженная полка, с которой слетели сразу три книги. Этот мимолётный «звук» распада удалось записать впервые: три нейтрона разлетелись, оставив после себя обычное ядро гелия-4.

Обычная пайка не подходит для квантовых схем: при охлаждении до температуры жидкого гелия металл трескается, а сами контакты вносят шум. Инженеры из исследовательской группы попробовали другое — каплю галлиевого сплава, которая остаётся жидкой при комнатной температуре, как ртуть в старом градуснике.

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.

Жидкость, которая течёт без трения, — это сверхтекучий гелий-4, странное состояние вещества при температурах ниже двух кельвинов. В большом объёме переход в сверхтекучесть происходит при температуре лямбда-точки, но в узких каналах всё меняется.

Кремний — как универсальный строительный блок: из него делают чипы в телефонах, солнечные панели и лазеры. Но если сжать его с огромной силой, атомы перестраиваются в новые узоры — такие формы называют аллотропами. Один из них, Si-XIII, впервые заметили больше двадцати лет назад, но его точный узор оставался загадкой.

При температуре 0,1 К — это на три десятых градуса выше абсолютного нуля — вещество перестаёт подчиняться привычным правилам. Гелий становится сверхтекучим: он течёт без трения, просачивается сквозь щели и ведёт себя как одна гигантская квантовая жидкость. Увидеть, что происходит внутри такого холода, — задача на грани возможного.

Когда у звезды вроде Солнца заканчивается водород, она раздувается в красного гиганта, а в её ядре копится гелий. В какой-то момент гелий вспыхивает — за несколько секунд выделяется столько же энергии, сколько звезда излучала за тысячи лет. Это и есть гелиевая вспышка.

Радиотелескопы похожи на уши, которые слушают космос. Обычно такое ухо одно: оно ловит сигнал из одной крошечной точки неба. Это медленно. На телескопе «Паркс» в Австралии теперь работает 72 уха сразу. Их охладили до температуры жидкого гелия, чтобы собственный шум приёмников не заглушал слабый шёпот далёких галактик.