колебания решётки

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.

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.

Световое поле, подобно аккуратной вафельнице, формирует в пространстве регулярный узор из ярких и тёмных областей. В самых светлых точках, как в крошечных лунках, застревают атомы — так образуется оптическая решётка. Это излюбленный инструмент физиков для изучения квантовых свойств вещества в изолированных условиях.

При сильном морозе — минус 268 градусов — кристаллическая плёнка перовскита начинает по-разному пропускать свет в зависимости от его поляризации. Луч как будто раздваивается: одна часть идёт чуть быстрее, другая чуть медленнее. Разница в энергии между ними — всего 45 тысячных электрон-вольта, но этого хватает, чтобы чётко разделить два оптических канала.

В 1915 году Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хааз показали, что при намагничивании железного стержня тот слегка поворачивается — угловой момент электронов передаётся кристаллической решётке.

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.

Маятник, который качается сам по себе, без всякого завода, — в квантовом мире такие «маятники» называют кристаллами времени. В них ритмичное движение возникает спонтанно и не затухает. Но до сих пор управлять этим ритмом было почти невозможно: любое вмешательство грозило разрушить хрупкий порядок.

Одинокий атом калия попадает в плотное облако из атомов натрия, охлаждённое почти до абсолютного нуля. Такая среда называется конденсатом Бозе — Эйнштейна — все частицы в нём сливаются в единую квантовую волну. Можно было ожидать, что примесь просто подберёт себе одного соседа и образует пару. Но эксперимент показал нечто иное.

Горячая ложка в чашке с чаем — тепло бежит по металлу от горячего конца к холодному. В учебниках этот процесс описывают как дрожание атомов, передающих толчки друг другу. Но атомы не просто дрожат — они ещё и поворачиваются, как крошечные волчки. До сих пор у физиков не было единого языка, чтобы описать оба движения разом. Авторы работы построили такой язык.

Внутри сверхпроводника магнитное поле обычно закручивается в трубки — вихри, каждый из которых несёт один квант магнитного потока. Так устроена классическая решётка Абрикосова. Но в кристаллах LiFeAs картина иная. Мюонная спектроскопия показала: поле проникает не отдельными вихрями, а полосами. В каждой полосе — пары «безсердцевинных» вихрей.

В первые мгновения жизни Вселенной пространство было наполнено горячей плазмой, где частицы возникали и пропадали, словно пузырьки в кипящей кастрюле. Следы этих процессов, растянутые расширением до гигантских размеров, хранятся в реликтовом излучении — древнем свете, дошедшем до нас сквозь миллиарды лет.

Кусок магнетита — обычного железного камня — ведёт себя странно. При комнатной температуре он проводит электричество, но стоит охладить его ниже минус 150 градусов, как сопротивление резко подскакивает. Этот скачок, открытый ещё в 1939 году, физики не могли объяснить почти век. Новая работа предлагает разгадку.

Согласно Стандартной модели, вакуум — не пустота, а океан виртуальных частиц-призраков — нейтрино и других частиц, почти не взаимодействующих с веществом. Сверхсильное электромагнитное поле, словно шторм, вырывает пары электронов и позитронов в реальность, преодолевая энергетический барьер их рождения.

Лазер бьёт по кристаллу, и тот отвечает вспышками света — как колокол звенит в ответ на удар. Но если колокол тёплый, его звук дрожит и глохнет. Так и здесь: атомы кристалла постоянно дрожат от тепла, и эта дрожь мешает электронам лететь ровно, поэтому свет получается тусклым и смазанным. Учёные взяли кристалл Re6Se8Cl2 — вещество, где атомы собраны в крупные блоки, похожие на строительные кубики.

Лист графена толщиной в один атом подвешен в воздухе, как натянутая простыня. По нему бегут волны тепла — колебания атомов, которые физики называют фононами. Раньше считалось, что эти волны быстро рассеиваются из-за сильного взаимодействия, и тепло передаётся плохо. Но эксперименты показывали обратное: тепло идёт лучше, чем по старым расчётам.

Луч лазера, закрученный в спираль, похож на воронку в раковине: свет движется не только вперёд, но и по кругу. Такие вихревые лучи уже помогают двигать крошечные частицы и передавать больше данных. Но стоит им пройти через неоднородную среду — и вихрь распадается, как вода из дырявого ведра. Фотоника — наука о свете в микрочипах — нашла способ удержать вихрь.

Кристалл титаната бария напоминает толпу, где каждый человек держит в руках стрелку-указатель. В обычном состоянии стрелки смотрят в разные стороны, но если приложить электрическое поле, все разом поворачиваются в одну сторону.

В кристалле титаната бария есть встроенное электрическое поле — как у постоянного магнита, только для зарядов. Когда туда попадает вспышка света, она выбивает электроны, и те начинают метаться, сталкиваясь с атомами. Но кристалл не одинаков во всех направлениях: у него есть ось, вдоль которой поле самое сильное.

В некоторых материалах магнитные моменты атомов — их крошечные «стрелки» — отказываются застывать даже при сверхнизких температурах. Вместо привычного порядка они образуют спиновую жидкость: состояние, где спины постоянно мерцают, но делают это согласованно, словно танцоры в сложном па.

Обычное оконное стекло кажется застывшим навеки, но внутри него атомы никогда не стоят на месте. В аморфном теллуриде германия (GeTe) — материале, который используют в перезаписываемых дисках и энергонезависимой памяти, — физики впервые напрямую проследили, как атомные связи растягиваются и сгибаются за триллионные доли секунды.

Металл — это море электронов, которые движутся почти свободно, сталкиваясь лишь изредка. Но в некоторых материалах это море вдруг становится вязким и непредсказуемым: электроны перестают вести себя как независимые частицы. Физики называют такое состояние «не ферми-жидкостным», и оно до сих пор остаётся загадкой.

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.

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.

Расплавленный металл похож на переполненный зал, где все ждут сигнала, чтобы начать танец. Кристаллизация — тот самый момент, когда хаос превращается в порядок. Но чтобы танец начался, нужен первый шаг: появление крошечных зародышей кристаллов. Обычно для этого металл приходится сильно охлаждать. Оказалось, что простая тряска может заменить часть охлаждения.

Кристалл оксида магния похож на строй солдат: атомы стоят ровными рядами, и по ним бежит электрон. Но стоит электрону задержаться, как ближайшие атомы слегка сдвигаются с мест — словно соседи по шеренге поворачивают головы. Электрон оказывается в ямке из смещённых атомов и уже не может двигаться свободно.

Колокол гудит не одной нотой — после удара в нём звучат сразу несколько гармоник. Примерно так же вибрирует атомное ядро: после столкновения оно может колебаться, и эти колебания видны по испускаемым гамма-лучам. Но у ядра ниобия-104, где 41 протон и 63 нейтрона, гармоник оказалось больше, чем ожидали.

Материал толщиной в один атом и рекордной чистоты — лишь один чужеродный атом на миллион — становится ареной удивительного явления. При охлаждении почти до абсолютного нуля электроны внутри, словно музыканты оркестра, замирают в строгом порядке, образуя электронный кристалл — состояние, предсказанное Юджином Вигнером почти век назад и потому называемое…

Бросьте горсть камешков вдоль тесного ряда столбиков: они рикошетом разлетятся плотным веером. Бросьте под углом — и они рассеются. Гамма-лучи в кристалле ведут себя сходным образом: они порождают каскады вторичных частиц, которые расползаются в стороны, если атомные ряды кристалла не выстроены идеально. Но стоит совместить их с точностью до толщины волоса — и каскад стягивается в узкий направленный пучок.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон, подчиняющийся уравнению Дирака, даже в состоянии полного покоя испытывает Zitterbewegung — сверхбыстрое дрожание с амплитудой порядка триллионных долей миллиметра. Это явление можно представить как колебание волчка, вращающегося на невидимой оси.