эффект Кондо

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара то появляются, то исчезают — похожая борьба идёт в двумерных материалах. Здесь электроны одновременно и создают магнетизм, и пытаются его погасить.

Два крошечных магнитных момента — спиновые примеси — находятся в металле, окружённые морем электронов проводимости. Обычно эти электроны стремятся экранировать магнетизм примесей, выстраиваясь вокруг них и гася его. Это явление известно как эффект Кондо.

Квантовая материя редко балует нас зрелищем самодвижения. Там, где классический мир полнится стаями скворцов, косяками рыб и суетливыми бактериями, квантовая термодинамика долго хранила покой.

Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник. Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект.

Камешек падает в пруд — и по воде расходятся круги. В квантовом мире пруд состоит не из воды, а из множества одинаковых частиц, и камешек — тоже частица, только чужая. Такую чужую частицу называют поляроном Ферми. Десятилетиями физики изучали, как полярон чувствует себя на одном месте. Но что происходит, когда он начинает двигаться?

Обычная вода замерзает предсказуемо: чем она холоднее, тем быстрее превращается в лёд. Однако иногда горячая вода застывает стремительнее холодной — это парадокс, известный как эффект Мпембы.

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.

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.

Длинную нитку замкнули в кольцо и завязали на ней узел. Узел скользит по нити, пока не упрётся во что-то. А теперь нитка состоит из двух разных участков: один жёсткий и скользкий, другой — мягкий и липкий. При нагревании липкий участок размягчается, и узел может сползти с него, как санки с подтаявшей горки.

Танцпол заполнен людьми, которые движутся каждый сам по себе. Вдруг часть из них разбивается на пары — кружатся, почти не замечая соседей, а остальные выстраиваются в цепочки. Примерно так ведут себя атомы в металле CsCr₃Sb₅ — одном из представителей кагоме-металлов, чья кристаллическая решётка напоминает плетёную корзину.

Крошечный магнит, собранный всего из двух молекул, лёг на поверхность металла — и повёл себя как капризный дирижёр. Обычно электроны в металле движутся согласованно, как толпа на эскалаторе. Но при сильном охлаждении этот порядок ломается, и движение становится непредсказуемым. Именно такое поведение удалось зафиксировать в новом эксперименте.

Тонкая плёнка мыла на руке повторяет форму ладони, но стоит сжать пальцы — и натяжение меняется неравномерно. Похоже ведёт себя монослой дисульфида молибдена на графитовой подложке.

Кристалл из ионов кальция в ловушке, подсвеченный лазером, — это крошечная модель вещества внутри белого карлика. Там, в недрах умирающей звезды, атомные ядра выстраиваются в жёсткую решётку, когда температура падает. В лаборатории физики воспроизвели этот момент: охладили облако ионов до нескольких милликельвинов и наблюдали, как оно застывает в упорядоченный узор.

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.

Полупроводниковый диод обычно пропускает ток только в одну сторону, как дверь с пружиной: в одном направлении открывается легко, в другом — упирается. Но если сильно насытить кристалл примесями, дверь начинает вести себя странно: при обратном напряжении ток не просто течёт, а резко взлетает.

Обычный проводник пропускает ток одинаково в обе стороны, как дверь, которая открывается и внутрь, и наружу. А диод — это дверь с доводчиком: в одну сторону она распахивается легко, а в другую упирается.

В привычном нам макромире любое движение неизбежно затухает: вмешивается трение — диссипативный процесс, рассеивающий энергию. Но квантовая реальность преподносит сюрпризы.

В металле полно свободных электронов — они носятся между атомами, как рой пчёл вокруг улья. Если проткнуть такой металл тонкой магнитной нитью, электроны начинают чувствовать её поле. Новый расчёт показал: они не просто огибают поле, а запирают его внутри, как пробка запирает воду в бутылке. Причём запирают строго порциями — либо совсем ничего, либо ровно половину стандартной порции магнитного поля.

Кристалл Mn₃Si₂Te₆ при 78 К превращается в катушку индуктивности, которая не нуждается ни в медном проводе, ни в сверхпроводнике. Электроны внутри него сами организуются в замкнутые вихри с определённым направлением вращения — хиральные орбитальные токи.

Температура в комнате падает на несколько градусов, пока холодильник работает без единого движущегося компрессора. Внутри — не фреон, а кусок металла, который то намагничивают, то размагничивают. Это принцип магнитного охлаждения: при наложении магнитного поля материал нагревается, а при снятии — остывает.

Танцпол, на котором магнитные моменты и электроны проводимости то ведут, то следуют друг за другом, — такова решётка Кондо в кристалле V5S8.

В цепочке из восьми спинов притаился дефект — крошечный магнитный момент. Эффект Кондо, известный с 1930-х годов, заставляет электроны вокруг него выстраиваться в коллективный экран. Сопротивление материала аномально растёт. Но нащупать такую примесь, спрятанную глубоко в структуре, — всё равно что найти камень на дне тёмного пруда.

Камень падает в воду — и вокруг расходятся круги. В квантовом мире магнитная примесь (тот самый камешек) в металле возмущает окружающие электроны, и они образуют вокруг неё особое облако. Его называют облаком Кондо. Как круги на воде в темноте, оно долго оставалось неуловимым.

Капля чернил в стакане воды быстро размазывается, окрашивая всю жидкость. Так и электроны в металле: они носятся свободно, как молекулы в газе. Но если в эту среду попадает магнитная примесь — атом с собственным магнитным моментом, — начинается странное. При очень низких температурах электроны словно прилипают к примеси, выстраивая вокруг неё облако.

Толпа на площади. Сначала каждый кружится в своём ритме, но вдруг музыка меняется — и все начинают двигаться синхронно, как единое целое. Примерно так ведут себя электроны в некоторых металлах: они то прилипают к магнитным примесям, то отрываются и образуют общий порядок.