неупругое рассеяние нейтронов

Комната кривых зеркал: вы стоите в центре, а эхо вашего голоса возвращается с неожиданной стороны, усиленное и искажённое. Так и спиновые волны в тонкой магнитной плёнке, возбуждённые антенной, отражаются от дефектов и неровностей, создавая запутанную картину полей.

В кристалле рутилового ниобата атомы никеля находятся в кислородных октаэдрах — клетках, образованных шестью атомами кислорода. Иногда один из атомов никеля теряет электрон, и заряд перескакивает на соседний атом, как эстафетная палочка. Но этот прыжок не случаен: его запускают колебания всей кристаллической решётки — фононы.

Тонкая магнитная плёнка толщиной всего три микрометра покоится на кристаллической подложке. Если её возбудить, по ней побегут спиновые волны — волны намагниченности, подобные кругам на воде. Одновременно в подложке могут возникать упругие колебания, похожие на дрожь натянутой струны.

Нейтронные звёзды — последние сгустки видимой материи перед падением в чёрную дыру. В их недрах материя сжата до триллионных плотностей. Здесь ядерные силы и гравитация сплетаются в экзотическую субстанцию, недоступную никакому земному ускорителю.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая лаборатория, где вещество сжато до немыслимых плотностей. В первые мгновения после слияния рождается горячее облако, которое остывает, испуская нейтрино. Эти частицы-невидимки уносят энергию и диктуют, сколько вещества будет выброшено в космос и какие тяжёлые элементы синтезируются.

Квантовые технологии остро нуждаются в универсальном «переводчике» между языками микроволн и света. Сверхпроводящие кубиты общаются на сантиметровых волнах, тогда как фотоны в оптоволокне — на оптических частотах. Мостом могут стать квантовые состояния магнонов — коллективных возбуждений спинов в магнитных кристаллах.

Попытка пересчитать людей в тёмной комнате по звуку дыхания упирается в общий шум — отдельных вдохов не слышно. Похожая задача стоит перед учёными, которые работают с квантовыми спинами в твёрдых телах. Каждый спин (магнитный момент электрона) обладает своим «голосом», но его заглушает технический шум приборов.

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.

Холодное облако атомов похоже на рой светлячков, которые тянутся друг к другу. Притяжение между атомами пытается собрать их в один плотный ком. Но квантовое дрожание — неустранимое движение частиц — мешает кому схлопнуться. Когда притяжение сильное, облако разбивается на отдельные сгустки.

Глубоко под Апеннинскими горами, в чане с тремя тоннами жидкого ксенона, раз в несколько дней что-то едва заметно вздрагивает. Это солнечное нейтрино — частица-призрак, рождённая в термоядерном пекле Солнца, — пролетела 150 миллионов километров сквозь пустоту и горную породу, чтобы наконец столкнуться с ядром ксенона.

Кристалл CeB6 похож на шкатулку с секретом: внутри него электроны могут занимать четыре почти одинаковых положения, как четыре кресла вокруг стола. Пока никто не смотрит, электрон словно сидит сразу на всех четырёх. Это скрытое состояние физики называют квадрупольным, и оно влияет на магнитные свойства, но увидеть его напрямую трудно.

В твёрдом теле атомы колеблются, передавая механические возмущения — звук. Иногда эта волна не бежит строго прямо, а завивается спиралью, подобно штопору, входящему в пробку. В обычных кристаллах такие «звуковые вихри» — или, точнее, фононы с орбитальным угловым моментом — известны, но в магнитных материалах их долго не удавалось зарегистрировать.

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.

Если кристалл нагреть, его атомы начинают дрожать сильнее — как струны, натянутые туже или слабее. В кристалле LaCoO3 (соединение лантана, кобальта и кислорода) при нагреве от 2 до 650 К происходят две важные перестройки: около 100 К меняется магнитное состояние ионов кобальта, а около 550 К материал из изолятора превращается в проводник.

Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В магнетике тоже есть волны — только колеблются не молекулы воды, а направления магнитных стрелок атомов. Такие волны называют магнонами, и по их поведению можно многое понять о невидимых силах между атомами. В новом эксперименте пучок нейтронов пропустили через кристаллы Na₂IrO₃ — соединения натрия, иридия и кислорода.

Пучок электронов, закрученный как штопор, врезается в протон. Из точки удара вылетают пары частиц — положительный и нейтральный пионы. Физики впервые измерили, как часто такие пары разлетаются под разными углами, когда спин электрона направлен влево или вправо. Разница в этих частотах — асимметрия — оказалась не нулевой.

Магнитные материалы умеют хранить энергию колебаний — как камертон, который продолжает звенеть после удара. Если такой материал поместить в микроволновую полость, его колебания (магноны) начинают взаимодействовать со светом (фотонами).

Обычная волна в магните похожа на рябь на воде: чем короче шаг волны, тем выше её энергия. Физики называют такие волны магнонами. Но в тонкой плёнке из висмут-иттриевого граната удалось создать волны с обратным поведением: их энергия падает с уменьшением длины волны. Это антимагноны. Плёнку поместили в установку, где свет рассеивается на волнах намагниченности.