магнитные плёнки

Лист бумаги, оставленный на мокром столе, коробится и приподнимает края. Никто не управляет этим движением, но оно происходит по тем же законам, что и рост растения: одни области листа сжимаются сильнее других, и плоская форма превращается в объёмную. Инженеры давно мечтали приручить этот процесс, чтобы плоская заготовка сама складывалась в нужную скульптуру.

Тонкая плёнка нитрида циркония лежит на подложке из оксида магния. Толщина — две десятых микрона, как у паутинки, но внутри кипит квантовая жизнь. При охлаждении до полукельвина сверхпроводимость в ней не исчезает сразу: она распадается на редкие островки, которые ещё держатся среди беспорядка.

Луч лазера в оптическом пинцете — это не просто пятно света, а силовой мешок. Частица, попавшая в него, обычно скатывается к самой яркой точке, как шарик в ямку. Но в лаборатории ETH Zurich поймали кремниевый цилиндр размером в сотню нанометров и удерживали его в самом тёмном месте стоячей волны — там, где свет гасит сам себя.

Магнитное поле в термоэлектричестве обычно действует как строгий регулировщик: чтобы тепло преобразовывалось в электричество, поле обязано быть ориентировано поперечно потоку тепла. Если поле лежит вдоль теплового потока, эффект исчезает — так считалось десятилетиями.

Тонкая, как мыльная плёнка, пластинка керамики — и в ней течёт ток без малейшего сопротивления. Так выглядит сверхпроводимость, которую удалось получить в никелатах — родственниках знаменитых купратных сверхпроводников. Обычно для этого требовалось гигантское давление, сравнимое с давлением на дне океана.

Внутри планет и звёзд, во вращающихся океанах плазмы, сталкиваются турбулентные потоки, силы Кориолиса и магнитное натяжение. Главная интрига — как энергия этого хаоса кристаллизуется в устойчивый магнитный каркас, способный просуществовать миллиарды лет.

Некоторые кристаллы ведут себя как переключатель: чуть изменили температуру или давление — и они из проводника превращаются в изолятор. Это называется переходом металл-изолятор (изменением способности проводить ток).

Чем тоньше сегнетоэлектрическая плёнка, тем сильнее деполяризующее поле — диктат классической физики. Представьте карандаш, балансирующий на кончике пальца: чем короче, тем труднее удержать вертикально. Так и нанометровая поляризация норовит исчезнуть.

В некоторых кристаллах магнитные моменты атомов — их микроскопические «стрелки» намагниченности — колеблются согласованно, подобно волне, бегущей по трибунам стадиона. Эта спиновая волна переносит спин без перемещения электрических зарядов, а значит, почти не нагревает материал. Такое течение напоминает невидимую реку — бесшумное и холодное.

Два магнита на столе либо притягиваются, либо отталкиваются — смотря как повёрнуты их полюса. Внутри каждого кусочка прячутся крошечные области, где все магнитные стрелки смотрят в одну сторону. Эти области называют доменами, и от их расположения зависит, как материал поведёт себя в электрической цепи. У альтермагнетиков — нового класса веществ — домены устроены хитрее.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

Лист бумаги почти ничего не весит, но если сложить сто листов в стопку, получится уже ощутимая пачка. Примерно так же поступили с материалом, который отлично умеет превращать один цвет света в другой, но только пока он толщиной в один атом. Один слой — как один лист: работает красиво, но слишком тонко, чтобы дать много света.

В сильном магнитном поле электроны в тонкой металлической плёнке движутся по круговым орбитам. Если толщина плёнки сравнима с размером такой орбиты, сопротивление начинает осциллировать — это осцилляции Зондхаймера, известные с середины прошлого века как чисто геометрический эффект.

В тонкой плёнке оксида никеля магнитные области, как кусочки мозаики, выстроены в строгом порядке. Один импульс лазера мгновенно нагревает материал, и мозаика рассыпается: домены теряют ориентацию и перемешиваются. Учёные засняли этот процесс с помощью магнитооптической визуализации — метода, который показывает магнитную структуру по изменению поляризации света. Но на этом фокус не заканчивается.

Ковёр лежит ровно, но если его толкнуть с краю, по нему побегут складки. В тонкой плёнке сульфида тантала (1T-TaS2) складки из электронов — волны заряда — застывают, как будто ковёр примёрз к полу. Чтобы сдвинуть их, нужно приложить усилие. Учёные нашли способ управлять этим усилием с помощью электрического поля и магнита.

Кусочек плёнки из оксида цинка лежит на столе. Подносят магнит и начинают медленно поворачивать его вокруг плёнки. Плёнка, толщиной меньше человеческого волоса, начинает менять свои размеры: то сжимается, то растягивается. Это свойство называется магнитострикцией — способностью материала деформироваться под действием магнитного поля.

Магнит на холодильнике держится за счёт множества атомов, выстроенных в одном направлении. А что, если взять один-единственный атом и попросить его помнить, куда он был намагничен? Именно это сделали физики: они положили атом диспрозия на тонкую плёнку обычной поваренной соли и проверили, как долго атом держит своё магнитное состояние. Атом оказался упрямым.

Обычно для получения терагерцовых волн (это свет между микроволнами и инфракрасным излучением) строят сэндвич из разных металлов. В нём один слой служит источником, а другой — приёмником зарядов. Платине в таких конструкциях отводили роль простого проводника. Но оказалось, что она может работать и в одиночку.

Тонкая плёнка — как натянутая простыня: чем она тоньше, тем труднее её продавить. Учёные заметили, что плёнки из самых разных материалов — графена, оксида графена, полимеров — при высокоскоростном ударе сопротивляются проникновению снаряда на удивление сильно. И чем тоньше плёнка, тем больше энергии она поглощает на единицу своей массы.

Тонкая плёнка из оксида никеля толщиной в десятки нанометров — как лист бумаги, сложенный в сотни раз тоньше. При комнатной температуре она проводит электричество, но стоит слегка охладить — становится изолятором. Этот переход металл-изолятор давно известен, но как при этом ведёт себя тепло, оставалось загадкой.

Магнитные атомы в твёрдом теле похожи на стрелки компасов: обычно при охлаждении они выстраиваются в одном направлении — так возникает магнетизм. Но в веществе TbInO3 стрелки тербия сидят на треугольной решётке, где невозможно угодить всем соседям сразу. Одна стрелка хочет смотреть на север, другая — на юг, и в итоге ни одна не может занять устойчивое положение.

Кристалл оксида осмия OsO₂ напоминает упрямого подростка: при обычных условиях он ведёт себя как обычный металл, но стоит надавить посильнее — и характер меняется.

Пучок заряженных частиц, как тонкое перо, выводит на металлической плёнке невидимый узор. В местах, которых он коснулся, материал меняет внутренний порядок атомов: из плотной упаковки, похожей на пирамидку из апельсинов в ящике, атомы перестраиваются в более рыхлую, как кубики, сложенные в коробку.

Лист бумаги в сотни раз тоньше человеческого волоса — примерно такой толщины плёнку из оксида ванадия вырастили учёные. Внутри этой плёнки электроны, крошечные носители электрического тока, движутся почти без столкновений. Словно машины на пустой ночной трассе, они разгоняются и не теряют скорость.

Тонкая плёнка из ниобия и олова проводит ток без сопротивления, пока её не сделать совсем уж тонкой. Тогда она внезапно становится изолятором. Группа физиков проверила, что будет, если в плёнку добавить чуть больше олова, чем нужно по формуле.

Квантовый компьютер похож на музыкальный инструмент: даже крошечная царапина на струне портит звук. Вместо струн — сверхпроводящие резонаторы, тонкие дорожки из нитрида титана на кремниевой пластине. Они должны хранить квантовую информацию, но любая неровность или лишний атом на поверхности забирает энергию, как трещина в колоколе гасит звон.

Кристалл — как идеально выложенная мозаика из атомов. Но вырастить такую мозаику — задача со звёздочкой: чуть сбился порядок, и появляются «швы» — границы, где ряды атомов не совпадают. Для обычной электроники это мелочь, а для квантового компьютера — катастрофа. Квантовый бит (кубит) хранит информацию в нежном состоянии, которое разрушается от малейшего беспорядка в материале.

Электрон в металле обычно похож на человека в час пик: он постоянно натыкается на других и теряет направление. Но если убрать препятствия, он может лететь по прямой, как машина по пустому ночному шоссе. Такое движение называют баллистическим — от слова «баллиста», древней метательной машины, которая посылала камень без помех.

Кристалл Ca2RuO4 похож на стопку тонких листов. Внутри каждого листа спины электронов выстроены в строгом порядке — как ряды солдат на плацу. Между листами связь слабая, и её знак можно перевернуть, слегка потянув кристалл в стороны. Когда кристалл растягивают, этот слабый межслойный контакт меняет знак, и весь магнитный узор перестраивается.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть идеально слаженно. Если хоть один инструмент фальшивит, мелодия рассыпается. В роли таких музыкантов выступают сверхпроводящие кубиты, а их «фальшь» — это потеря квантовой когерентности. Учёные давно ищут, откуда берутся помехи, и одна из причин прячется в самом материале, из которого сделан кубит.

Тонкая плёнка из оксида железа SrFeO3 лежит на подложке, которая слегка её растягивает. Внутри плёнки магнитные моменты атомов закручены в спираль, как винтовая лестница. Растяжение изменило эту лестницу: шаг стал короче, а сама ось наклонилась. Причина — в кислороде. Растянутая решётка легче теряет атомы кислорода, оставляя пустоты.

Гибкий экран толщиной с человеческий волос — это стекло, которое можно согнуть. Но у такого чуда есть каприз: стоит дотронуться, и на поверхности остаётся невидимый электрический заряд. Как пыль на полированной мебели, он накапливается и мешает работать. Учёные взяли кусок стекла толщиной 30 микрометров — втрое тоньше бумажного листа — и проследили за судьбой заряда.

Магнитные материалы умеют хранить энергию колебаний — как камертон, который продолжает звенеть после удара. Если такой материал поместить в микроволновую полость, его колебания (магноны) начинают взаимодействовать со светом (фотонами).

Если насыпать на стол горсть монет, поверхность станет бугристой. Но стоит добавить ещё монет, и они сами растекаются в ровный слой. Нечто похожее происходит, когда на подложку напыляют тончайшие плёнки из отдельных молекул. Сначала на поверхности появляются островки — молекулы собираются в кучки, как люди в очереди. Плёнка становится всё более неровной.

Обычная волна в магните похожа на рябь на воде: чем короче шаг волны, тем выше её энергия. Физики называют такие волны магнонами. Но в тонкой плёнке из висмут-иттриевого граната удалось создать волны с обратным поведением: их энергия падает с уменьшением длины волны. Это антимагноны. Плёнку поместили в установку, где свет рассеивается на волнах намагниченности.

Магнитное поле окружает нас повсюду: от компаса в телефоне до томографа в больнице. Чтобы измерить его с высокой точностью, нужны особые материалы, которые реагируют на малейшие изменения поля. Один из таких материалов — молекулярные кристаллы, в которых спины электронов (своеобразные «волчки») могут долго сохранять своё состояние.

В ядрах многочисленных галактик таятся сверхмассивные чёрные дыры, погружённые в газопылевые аккреционные диски, насыщенные космической пылью и звёздным веществом. Взаимодействия объектов в этих дисках способны возбуждать гравитационные волны — рябь самой ткани пространства-времени.

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.

Чтобы кубиты на электронах работали без сбоев, им нужна подложка с безупречной гладкостью — словно зеркало, не искажающее отражение.

Применив метод, аналогичный спектроскопии — по сути, магнитное зондирование, — исследователи пропускают электрический ток через многослойную плёнку и по его сопротивлению определяют ориентацию микроскопических магнитных моментов (стрелок) внутри. Традиционная картина проста: в одних материалах моменты выстраиваются строго вдоль тока, в других — поперёк.