сверхпроводимость, индуцированная светом

Тонкая плёнка никелата неодима толщиной в пятнадцать нанометров лежит на подложке из галлата неодима. При температуре ниже ста восьмидесяти кельвинов она ведёт себя как изолятор: электроны заперты в своих атомных ячейках и не могут свободно двигаться.

Крошечная капсула, похожая на мыльный пузырь, но с оболочкой из светящихся кристаллов, ведёт себя как лазер. Пока её стенка цела, свет бегает по кругу, усиливается и вырывается узким ярким лучом. Стоит стенке лопнуть, и луч превращается в тусклое пятно. Такая капсула — это коллоидосома, и она умеет менять своё свечение по команде.

Микроволновая печь греет еду, но в лаборатории микроволны сделали нечто иное: превратили сверхпроводник в постоянный магнит. Плёнка из оксида иттрия-бария-меди толщиной 300 нанометров, охлаждённая до 80 кельвинов, откликнулась на излучение частотой 5 гигагерц.

Сверхпроводящий детектор обычно работает как честная линейка: поглотил фотон — выдал импульс, амплитуда которого строго пропорциональна энергии. Такой режим удобен, но у него есть потолок: слабый сигнал легко теряется в шуме усилителя. Теперь представим качели.

Представьте почти пустой танцпол, где редкие посетители движутся каждый сам по себе — хаотично, без связи друг с другом. Но стоит включить определённую музыку и немного охладить зал, как танцоры вдруг выстраиваются в длинные цепочки и начинают двигаться в унисон. Примерно так ведут себя электроны в разрежённом трёхмерном газе.

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.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

В сверхпроводниках электроны объединяются в пары и текут без сопротивления. Обычно эти пары распределены равномерно, как вода в спокойном озере. Но иногда в материале возникает рябь — пары сгущаются и разрежаются с определённым шагом. Такое состояние называют сверхпроводимостью с волной плотности пар.

Светоизлучающие материалы на основе органики похожи на оживлённый перекрёсток без светофора. Молекулы получают энергию, но вместо того чтобы честно отдать её светом, часто сворачивают в тупики: образуют тёмные пары (эксиплексы — короткоживущие комплексы без излучения) или сталкиваются друг с другом, теряя заряд.

Оркестр без дирижёра, где музыканты слышат друг друга через общую стену. Примерно так устроен новый тип лазера: несколько атомов (излучателей) сидят вдоль световода — тонкой дорожки для света на чипе. Свет от каждого атома бежит по этой дорожке и влияет на соседей. Возникает коллективная игра, где атомы излучают согласованно, как смычки, взлетающие в один миг. Но есть нюанс.

Сверхпроводимость часто представляют как застывший танец электронов: они объединяются в пары и движутся без сопротивления, словно фигуристы на идеальном льду. Но в высокотемпературных сверхпроводниках этот лёд оказывается не таким уж гладким.

Графен — двумерный кристалл углерода — долгое время манил физиков надеждой на высокотемпературную сверхпроводимость. Его электроны подчиняются релятивистскому уравнению Поля Дирака, несутся с огромной скоростью, почти не замечая друг друга.

В некоторых материалах электрический ток может течь без малейших потерь — это сверхпроводимость. Но перед тем как стать сверхпроводником, вещество часто проходит через странное состояние: электроны уже чувствуют друг друга и образуют пары, однако дружно двигаться ещё не могут.

Классический оптический дальномер действует подобно человеку, который в пустоте издаёт крик и вслушивается в эхо: прибор испускает одиночный световой импульс и регистрирует время его возвращения.

Обычный диод в электронике работает как дорога с односторонним движением: ток идёт только в одну сторону. В сверхпроводниках, где электричество течёт без сопротивления, подобное поведение долго оставалось труднодостижимым — ток обычно симметричен. Авторы новой работы нашли способ создать идеальный сверхпроводящий диод с помощью света.

Свет оставляет след, даже когда его почти нет. Отдельный фотон — крошечный сгусток энергии — падает на кремниевую пластинку и выбивает горстку электронов. Беда в том, что горстка слишком мала, чтобы её заметить. Нужен усилитель. Обычно сигнал усиливают, прикладывая напряжение к металлическим контактам на поверхности детектора.

Лампочка загорается только в нужной комнате. Примерно так работают светоактивируемые лекарства — они «включаются» лишь там, куда направлен свет, и не трогают остальной организм. Это особенно важно при лечении рака: обычная химиотерапия бьёт по всем делящимся клеткам подряд, вызывая тяжёлые побочные эффекты. А здесь можно осветить только опухоль — и препарат начнёт действовать.

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Обычный лазер похож на оркестр, где музыканты должны разогреться, прежде чем заиграть в унисон. Сначала нужно накачать энергией достаточно атомов, чтобы они «перевернулись» и были готовы излучать свет — это называют инверсией населённостей. Только тогда вспыхивает луч. Поляритонный лазер играет по другим правилам: его «музыканты» — смесь света и вещества — вступают в дело почти без подготовки.

Обычный кухонный нож из ниобия при −258 °C вдруг начинает проводить ток без малейших потерь. Так работает сверхпроводимость, и её можно «включить» прямо на поверхности металла, если обстрелять её лазером в атмосфере азота.

Медная проволока под ударом лазера — это кухня, где повар одновременно включает плиту и следит за секундомером. Атомы меди начинают плясать, теряя строй кристаллической решётки, а электроны, как официанты в зале, мгновенно чувствуют перемену. Но сколько нужно беспорядка, чтобы они заметили? Оказывается, достаточно самого начала плавления.

В тёмной комнате вспыхивает инфракрасный лазер, и кусочек чёрного порошка K3C60 на долю секунды начинает проводить ток без сопротивления. Свет бьёт на частоте 10 терагерц — это в тысячу раз быстрее, чем работает микроволновка. Эффект усиливается в сто раз по сравнению с другими частотами. Почему именно эта частота? Учёные построили компьютерную модель и нашли ответ.

Кран, из которого вода течёт не струёй, а строго по одной капле, — так можно описать источник одиночных фотонов, о котором рассказывают авторы. В обычном свете фотоны летят толпой, как вода из открытого крана. А для квантовых технологий нужны одиночные фотоны — «капли» света, которые можно использовать как кубиты или как курьеров для защищённой связи.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. На нём видны малейшие загрязнения, как пылинки на стекле очков. Десять лет назад графен научились прятать между слоями нитрида бора — это как положить хрупкий лист между двумя кусками пищевой плёнки.

Лазерная вспышка длительностью 50 фемтосекунд — это как выстрел, который длится одну миллиардную долю секунды. За это время свет успевает пройти всего 15 микрометров — меньше толщины человеческого волоса. Но если такую вспышку пропустить через усилитель, она начинает растягиваться, как резиновая лента, и теряет свою остроту.

Электрический ток в сверхпроводнике похож на толпу, бегущую по коридору без трения. Но в сверхпроводниках второго рода есть препятствия — крошечные вихри магнитного поля, которые ток сдвигает с места. Сдвинулся вихрь — появилось сопротивление, и ток падает.

Крошечный лазерный луч на миг касается кристалла — и внутри, как по волшебству, загораются одиночные квантовые огоньки. Это не фокус, а новый способ создавать кубиты — рабочие ячейки будущих квантовых компьютеров. Материал — карбид кремния, тот самый, что уже используют в силовой электронике и светодиодах.

Обычная компьютерная память постоянно тратит энергию, чтобы хранить единицы и нули. А сверхпроводники проводят ток вообще без потерь — если бы из них собрать память, она почти не потребляла бы электричества. Проблема в том, что сверхпроводники не умеют запоминать: их состояние слишком легко меняется. Кристалл уран-дителлурида оказался исключением.

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.

Обычный сверхпроводник работает только в морозильной камере природы — при температурах ниже минус ста градусов. Материал из углеродных шариков K₃C₆₀ не исключение: без холода он сопротивляется току, как толпа в узком коридоре. Но физики заметили странную вещь: если посветить на него лазером, он начинает проводить ток без потерь даже в тепле.

Пустое пространство никогда не бывает по-настоящему пустым. Оно кипит крошечными флуктуациями энергии — словно податливая глина в руках скульптора.

В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары, которые стоят на месте — их общий импульс равен нулю. Но бывает иначе: пары получают общий импульс и начинают двигаться, как стайка рыб, плывущая против течения. Такое состояние называют волной пар, и оно очень капризное — нужны особые условия.

Тонкая плёнка из соединения висмута и селена лежит на подложке. По ней бьёт лазерная вспышка длительностью в миллионную долю миллиардной доли секунды. Рядом включён магнит, поле которого слабее, чем у магнитика на холодильнике. И в этот момент в плёнке сам собой возникает электрический ток, перпендикулярный магнитному полю.

Сверхизлучение (суперфлуоресценция) — это синхронизированный «выдох» света кристаллом, когда множество возбуждённых частиц одновременно испускают фотоны. Недавно исследователи впервые наблюдали его зеркальное отражение: суперабсорбцию — скоординированный «вдох», при котором кристалл коллективно поглощает свет, словно время потекло вспять.