уровень Ландау

В некоторых кристаллах электроны не размазаны равномерно, а выстраиваются в строгую шахматную доску: на одной клетке электронов больше, на соседней меньше. Такой узор называют зарядовым порядком, и долгое время его считали чем-то застывшим, вроде рисунка на морозном стекле. Но недавно выяснилось, что этот узор можно перевернуть, как магнитный порядок переворачивают импульсом тока.

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.

Когда лазерный импульс попадает в атом, он вырывает электрон. В классической картине свет — это гладкая электромагнитная волна, и чем выше её интенсивность, тем сильнее ускоряется электрон.

В кольцевом ускорителе пучок электронов мчится по замкнутой траектории миллионы раз. Если электроны закручены, как нити в верёвке, их вихревое движение — орбитальный угловой момент — должно сохраняться. Но на пути пучка встречаются случайные толчки от несовершенных магнитов, которые могут разрушить эту структуру.

10¹⁵ Гаусс — такое магнитное поле обнаружили у некоторых белых карликов. Оно в миллиарды раз сильнее того, что показывает компас на Земле. Белый карлик — не звезда в привычном смысле, а остывшее ядро размером с планету. Внутри него гравитация противостоит давлению вырожденных электронов.

Бледно-зелёный кристалл поместили в магнитное поле и охладили ниже одного кельвина — почти до абсолютного нуля. Внутри него прячутся цепочки атомов меди, которые ведут себя как крошечные магнитные стрелки. Обычно их ориентация хаотична, но сильное поле и холод заставляют стрелки выстроиться в едином порыве — словно солдаты на плацу.

Крохотный намагниченный шарик парит в вакууме, удерживаемый невидимыми полями. Он начинает крутиться вокруг оси магнитного поля — совсем как юла, которую слегка подтолкнули. Это прецессия. Но когда шарик становится совсем маленьким, в игру вступают квантовые законы.

Магнитное поле в 42 тесла — примерно в миллион раз сильнее поля Земли. В таком поле кристалл SrCu₂(BO₃)₂ ведёт себя необычно: его намагниченность растёт не плавно, а скачками, замирая на определённых значениях. Раньше считалось, что такие плато возникают, когда спины электронов (их крошечные магнитные стрелки) выстраиваются по строгому геометрическому узору — как солдаты в строю.

Горка с тремя углублениями: самое глубокое — устойчивое положение шарика, среднее — шаткое. Слабый толчок — и шарик скатывается вниз. Однако постоянная вибрация нужной силы способна удержать его в средней лунке надолго. В 1950-х физики Ли и Янг обнаружили, что любые состояния вещества разделены невидимыми точками в мире мнимых чисел. Эти точки, названные нулями Ли-Янга, очерчивают фазы.

Длинная цепочка атомов, и каждый — крошечный магнитик. Они переговариваются друг с другом и с общим полем, словно музыканты в оркестре, которые слышат и дирижёра, и соседей. Когда внешнее поле меняется, оркестр либо играет вразнобой, либо все инструменты вступают синхронно — это и есть квантовый фазовый переход. Обычно такой переход плавный, как постепенное усиление звука.

Гравитация — это космическая сеть: массивные тела растягивают её, а лёгкие объекты катятся по изгибам — такова классическая картина, воплощённая в общей теории относительности Эйнштейна. Но когда мы спускаемся в мир атомов, эта метафора даёт сбой: на квантовых масштабах пространство-время начинает хаотично дрожать, и уравнения гравитации порождают бесконечные значения.

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.

Магнитное поле в плазме подобно натянутой мыльной плёнке: внутреннее давление стремится её расширить, а поверхностное натяжение — стянуть, придавая устойчивую форму. В плазме эту роль исполняют магнитные силы: магнитное давление и магнитное натяжение уравновешивают друг друга, создавая хрупкое равновесие.

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.

Капля воды в сильном электрическом поле вытягивается. Так же ведёт себя и ядро дейтерия — связанная пара из протона и нейтрона, только поле здесь создаёт пролетающий гамма-квант, а вместо вытягивания ядро может просто развалиться на части. В Шанхайской лаборатории SLEGS этот процесс впервые изучили на густой сетке энергий — от 2,33 до 19,65 МэВ — и записали, как часто ядро не выдерживает.

Если бросить в стакан с водой кубик льда, он будет плавать, пока не растает. Но если воду медленно охлаждать, в какой-то момент она вся разом схватится льдом — это фазовый переход первого рода: резкий, с чёткой границей. А бывает иначе: при нагреве магнит теряет свои свойства не скачком, а постепенно, без видимого рубежа.

В пустом зале звук мечется между стен, превращаясь в гулкое эхо. Оптическая полость — та же эхо-камера, только для света. Здесь запертые фотоны так раскачивают молекулы, что привычные правила химии летят в трубу. У водорода (H₂) стабильность и возбуждение меняются ролями, будто качели перевернулись.

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 кристалле HfTe5 электроны ведут себя почти как свет: их масса так мала, что они подчиняются законам относительности. Если поместить такой кристалл в сильное магнитное поле, электроны начинают кружиться по маленьким орбитам. Их энергия при этом меняется не плавно, а ступеньками — как этажи в доме. При слабом поле виден один узор этих ступенек, а при сильном — другой, с особым ритмом.

Магнетар — это нейтронная звезда с магнитным полем в сотни миллионов раз сильнее, чем у Земли. Если поднести к такому полю обычный магнит, он мгновенно размагнитится, а атомы вытянутся в тонкие нити.

Квантовый мир любит порядок, но реальность часто вносит беспорядок. В этой работе физики изучают одномерные цепочки спинов — крошечных магнитных стрелок, которые могут быть направлены вверх или вниз. Обычно топологические фазы (устойчивые состояния, защищённые симметрией) определяют для чистых состояний, где каждая стрелка точно известна.

Тончайший лист углерода толщиной в один атом помещают в сильное магнитное поле и охлаждают до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Микроволновый микроскоп скользит вдоль кромки листа и измеряет, насколько хорошо этот край проводит электричество. При нейтральном заряде, когда электронов и дырок поровну, край ведёт себя не так, как середина листа.

Лист графена — решётка из атомов углерода, похожая на пчелиные соты. Электроны в нём носятся так быстро, будто у них нет массы, как у света. Когда на такой лист падает мощный лазерный импульс, электроны получают пинок и начинают разгоняться. Их путь можно сравнить с дорогой, на которой иногда встречаются шлагбаумы — запрещённые зоны.