ниобат лития

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.

За орбитой Нептуна лежит океан из ледяных островов, который почти не изменился за четыре миллиарда лет. Эти острова, называемые транснептуновыми объектами, хранят рецепт рождения планет. До недавнего времени астрономы видели лишь крупные из них, а мелкие, размером с город, оставались невидимыми.

Сцена залита ледяным светом, и на ней стоят кремниевые зрители. Каждый из них — матрица крошечных лавинных диодов, способных заметить одиночный фотон, но только если температура вокруг опустится до 165 К. Раньше такие зрители готовили к выступлению в одиночку, вручную, и никто не мог поручиться, что на большой сцене они сработают одинаково.

Камера снимает не гонку, а танец атомов. В диоксиде ванадия переход из изолирующего состояния в металлическое происходит за триллионные доли секунды, но до сих пор никто не видел, как именно движутся атомы ванадия и кислорода. Теперь сверхбыстрая электронная дифракция сняла этот маршрут кадр за кадром.

Свет, который не долетел до камеры, всё равно оставляет на ней свой след. Так работает новый метод съёмки: объект освещают одним цветом, а картинку собирают из другого. В кристалле световые волны смешиваются, и информация о невидимом переходит к видимому лучу. В опыте использовали кристалл серебряного тиогаллата — нелинейно-оптический материал, в котором два луча разного цвета идут через него под углом.

Тёмную материю никто не видел, но она должна проходить сквозь детекторы как ветер сквозь листву. Иногда, очень редко, частица тёмной материи задевает ядро атома — и тогда детектор должен уловить этот толчок. Проблема в том, что лёгкие частицы тёмной материи почти не могут сдвинуть тяжёлые ядра: это как пытаться сбить кеглю, бросая в неё пушинку.

Свет можно заставить поворачивать по команде, как воду в шланге — если знать, где нажать. Именно это делают электрооптические схемы: меняют направление луча внутри чипа электрическим полем. Классический материал для таких фокусов — ниобат лития, кристалл, который откликается на напряжение, как струна на щипок.

Свет в обычной комнате исчезает мгновенно, стоит выключить лампу. В крошечной полости из нитрида кремния фотон — квант света — может метаться между стенками 80 000 раз, прежде чем потеряется. Это как если бы мяч, брошенный в комнату, отскакивал от стен почти без потери скорости.

Луч света обычно распространяется по прямой, но его можно заставить вращаться вокруг оси — подобно воде, закручивающейся в воронку при сливе. Такой «вихревой» свет, несущий орбитальный угловой момент, способен передавать больше информации и востребован для сверхбыстрой связи и квантовых вычислений.

Короткая вспышка света похожа на музыкальную фразу: в ней можно различить отдельные ноты, если слушать очень внимательно. Но в квантовом мире такие «ноты» — временны́е моды — сжаты до пикосекунд (триллионных долей секунды), и обычная оптика их почти не различает.

В холодном молекулярном облаке Тельца, где рождаются звёзды, телескопы обнаружили молекулы с запахом горького миндаля — ароматические нитрилы, соединения, содержащие бензольное кольцо с присоединённой нитрильной группой (–C≡N). На Земле они встречаются в персиковых косточках, но в космосе эти молекулы висят в ледяной пыли.

Кусок металла охлаждают до минус двухсот градусов, и электрический ток начинает бежать по нему без малейшего трения — как если бы вода в трубе текла, не касаясь стенок. Такое поведение называют сверхпроводимостью.

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.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

Кристалл размером со спичечный коробок поместили под луч клинического ускорителя. Половину его поверхности покрыли узором из нановыступов — крошечных, меньше длины волны света. Вторую половину оставили гладкой. Разница оказалась разительной: покрытая часть выдала сигнал в 4,1 раза ярче. Нанофотонный сцинтиллятор увеличил контраст по отношению к шуму в 3,7 раза.

Гончар острым резцом наносит узор на ещё сырую глиняную плитку. Одно неверное движение — и линия расплывается, а плитка трескается. Примерно так же физики работают с плёнками высокотемпературного сверхпроводника YBCO (соединение иттрия, бария, меди и кислорода). Только резец у них — тончайший пучок ионов гелия, а плитка — слой керамики толщиной в сотни атомов.

Атомное ядро — это природная пружина колоссальной силы. Когда протоны и нейтроны внутри него перестраиваются, оно переходит в особое долгоживущее состояние — ядерный изомер (метастабильное состояние ядра с избыточной энергией). В нём запасена энергия, словно пружина сжата до предела.

Обычный источник фотонов можно представить как вход в клуб с одним вышибалой. Он старается пропускать посетителей поодиночке, но иногда «парочки» просачиваются. В квантовой оптике это называют проблемой чистоты: фотоны должны излучаться строго по одному, иначе в квантовых вычислениях возникают ошибки.

Квантовым сетям необходим интерфейс между хранилищем информации — спиновым состоянием частицы — и её переносчиком — светом. До недавнего времени ни одна одиночная молекула не могла выполнять эту роль. Однако физики обнаружили подходящего кандидата.

Свет, проходящий сквозь прозрачный кристалл, может незаметно менять свой цвет. Так работают многие лазеры: крошечная добавка редкоземельного металла заставляет кристалл светиться. Но один и тот же металл в разных кристаллах ведёт себя по-разному — и физики изучили этот каприз на примере иттербия.

Если менять не состав, а только расположение атомов, можно заставить один и тот же материал по-разному пропускать ток или поглощать свет. Именно это и проделали авторы работы с оксидами никеля и кобальта. В одном случае атомы уложены как шары в кубической коробке — каждый атом металла окружён шестью атомами кислорода (структура каменной соли).

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.

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.

Свет можно использовать как курьера, который переносит секретные сообщения. Но чтобы курьер не потерял ни одной буквы, его нужно очень быстро встречать и проверять. Новый чип из тонкой плёнки ниобата лития — как турникет, который открывается и закрывается за миллиардные доли секунды, пропуская световые импульсы в нужный момент.

Мемристор — это резистор с памятью: после выключения тока он сохраняет своё сопротивление. Внутри него тонкая плёнка оксида металла зажата между двумя металлическими электродами. Когда через устройство впервые пропускают сильный ток, в оксиде образуются проводящие нити из кислородных пустот, и сопротивление резко падает.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

Свежеотполированная поверхность ниобия блестит, как зеркало. Но уже через несколько минут на ней появляется тусклая плёнка окисла, невидимая глазу. Для сверхпроводящего кубита эта плёнка — как песок в часах: она заставляет квантовое состояние разрушаться раньше времени.

Представьте два маятника на жёстком столе — каждый колеблется сам по себе, не замечая соседа. Но стоит поставить их на общую шаткую доску, как вибрации передаются через опору, и маятники начинают качаться синхронно. Похожий принцип недавно реализовали в квантовой области — на кремниевом чипе с фотонами — квантами света.

Обычная флешка хранит биты в ловушках для электронов, но прочитать их можно только через отдельный провод и усилитель. В новой разработке роль и хранилища, и лампочки играет один и тот же кусочек полуметалла теллура.

Два лазерных луча разного цвета падают на кристалл, и внутри него изредка рождаются тройки частиц света — как три монеты, выпавшие из одной щели автомата. Такой процесс впервые удалось наладить достаточно эффективно: за секунду получалось 11,6 троек. Лучи были зелёным и невидимым инфракрасным. В кристалле их энергия складывалась и превращалась в три новые частицы, которые разлетались в разные стороны.

В кристалле можно запустить звук такой высокой частоты, что человеческое ухо его не услышит, — и заставить этот звук бегать по кругу, как поезд по кольцевой дороге. Инженеры взяли тонкую плёнку нитрида кремния, нанесли её на подложку из ниобата лития и вырезали в ней дорожки для звуковых волн.

Инфракрасный свет не виден глазу, но он повсюду: от пульта телевизора до тепла человеческого тела. Чтобы его поймать, нужны особые материалы. Обычные детекторы громоздкие, жёсткие и плохо настраиваются на нужную длину волны. Исследователи обратились к чёрному фосфору — слоистому материалу, который можно расщепить до плёнки толщиной в несколько атомов.

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.

Ниобий — металл, который при охлаждении до нескольких градусов выше абсолютного нуля проводит ток без сопротивления. В лабораториях его наносят тонкими дорожками на подложку, как крем на торт. Но в процессе нанесения из специальной маски в металл проникает кислород, и он портит сверхпроводящие свойства.

Зелёный луч фонарика ныряет в бассейн и достаёт до дна, почти не ослабев. Вода прозрачна именно для зелёного света, поэтому его используют для связи под водой. Но чтобы передать видео или данные с датчика, свет нужно очень быстро включать и выключать — миллиарды раз в секунду. Обычные лазеры для этого слишком медленные и нестабильные.

Твёрдый электролит — как губка для ионов лития. В обычной литиевой батарее ионы плавают в жидкости, как рыбы в аквариуме. В твердотельной батарее им приходится протискиваться сквозь кристаллическую решётку, как сквозь узкие коридоры. Чем больше свободных мест в решётке, тем быстрее ионы добираются от одного электрода к другому.

В кристалле оксида цинка спрятан квантовый дуэт: атом олова и атом лития, сидящие рядом. Их связь настолько тесна, что электрон, захваченный этой парой, словно живёт на олове, а литий лишь подыгрывает. Такой комплекс долго искали, но только теперь его удалось создать намеренно и опознать по характерному свечению. Электрон здесь не просто крутится вокруг ядра — его спин крепко сцеплен со спином ядра олова.

Обычный кусок полупроводника слабо меняет цвет проходящего света. Физики десятилетиями обходили это ограничение, помещая кристалл в хитрое окружение, но сам материал оставался прежним. Теперь исследователи собрали «бутерброд» из чередующихся тонких слоёв арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия.

Серебряно-ниобиевый оксид AgNbO₃ — это слоёный пирог из атомов серебра, ниобия и кислорода. При комнатной температуре он ведёт себя как обычный диэлектрик, но если его охладить, атомы начинают смещаться, и кристалл обретает электрическую поляризацию — как стрелка компаса, только вместо севера указывает направление внутреннего электрического поля.

Тонкий кристалл гексагонального нитрида бора — родственник графита, только прозрачный и диэлектрик. В его решётке иногда встречаются одиночные дефекты: атом бора или азота отсутствует, и на его месте образуется ловушка для электронов. Такая ловушка способна поглощать свет и испускать его обратно, как крошечный фонарик.