магнитное взаимодействие

Вихрь в магнитном диске обычно ведёт себя как большой юла: чтобы он не опрокинулся, нужна просторная площадка и сильное собственное поле, которое возвращает его в центр. Но что если площадку уменьшить до размера вируса? Тогда привычная опора исчезает, и вихрь должен рассыпаться.

Сверхпроводник напоминает оркестр, который играет без единой фальшивой ноты, пока дирижёр не повернёт ручку настройки. В новой работе такой ручкой оказалась магнитная история никелевых контактов. Учёные создали сверхпроводящие микромембраны из оксидов LaAlO3 и SrTiO3, где на границе двух материалов возникает тонкий слой свободных электронов — двумерный электронный газ.

Два крошечных грузика, каждый с песчинку весом, висят в темноте при температуре холоднее открытого космоса. Они не касаются друг друга, но между ними есть невидимая нить — гравитация. Эксперимент, который сейчас строят физики, должен поймать момент, когда эта нить дёргает один грузик из-за движения другого.

Камертон, по которому ударили, звучит чисто и долго. Но если во время звучания слегка трясти саму вилку — звук начнёт дрожать и быстро затихнет. Примерно то же самое происходит с электронами в любом куске вещества. Атомы в решётке никогда не стоят на месте: тепловые колебания заставляют их непрерывно подрагивать.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивное вращающееся тело увлекает за собой ткань пространства-времени, подобно тому как ложка, вращаемая в банке, заставляет течь густой мёд.

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.

Ток пропускают через пружинку из органических молекул — и на выходе электроны крутятся почти все в одну сторону. Этот фокус называют хиральной спиновой селективностью, и он долго не давал физикам покоя. В лёгких атомах спин (собственное вращение частицы) слишком слабо связан с движением заряда, чтобы обеспечить почти стопроцентную сортировку.

В оркестре атомов у каждого инструмента своя партитура. Но иногда два музыканта начинают играть в унисон — и звук усиливается во много раз. В квантовом мире такое «созвучие» называют резонансом Фешбаха. Оно позволяет управлять атомными взаимодействиями с ювелирной точностью. Резонанс Фешбаха — это не совпадение нот, а совпадение энергий.

Жонглёр подбрасывает булавы, сидя на вращающемся стуле. Если он начнёт крутить булавы все в одну сторону, стул поедет в противоположную — иначе нарушится закон сохранения вращения. Примерно так устроен эффект Эйнштейна — де Хааза: в куске железа магнитное поле выстраивает микроскопические магнитики-спины, и весь кусок чуть поворачивается.

Горсть риса, брошенная в стакан с водой, рассыпается — крупинки разбегаются в стороны. А теперь вообразите, что каждая крупинка сама несётся вперёд с упрямым постоянством и при столкновении мягко отскакивает. Такие частицы называют активными: они тратят собственную энергию на движение, как бактерии или микроскопические роботы.

Физики пытаются услышать шёпот в шумной комнате. Они строят звуконепроницаемую кабинку, но даже в ней собственное дыхание и биение сердца создают помехи. Примерно так же ищут признаки квантовой гравитации: хотят увидеть, как сила тяжести связывает две частицы в единое целое — запутывает их. Частицы помещают в вакуум и закрывают проводящим экраном, чтобы убрать электрические силы.

Внутри каждого нейрона есть длинный тонкий канал — аксон, по которому сигнал идёт от тела клетки к другим клеткам. Чтобы канал работал, по нему постоянно курсируют митохондрии — крошечные органеллы, которые вырабатывают энергию. Они движутся в обе стороны, как машины по узкой дороге.

Кристалл напоминает пирог с начинкой: слои атомов европия, галлия и алюминия чередуются в строгом порядке. Обычно такие материалы не должны удивлять магнетизмом — слишком симметричны. Но внутри этого кристалла обнаружили магнитные вихри, похожие на крошечные водовороты, которые выстраиваются в аккуратные решётки.

Кристалл железа похож на мозаику из множества плотно упакованных зерен. Там, где одно зерно встречается с другим, возникает граница — узкий шов с нарушенным порядком. Именно в этих швах скрываются сюрпризы для магнетизма. Ученые рассчитали, как атомы железа взаимодействуют друг с другом на трех типах таких границ.

Магнит на холодильнике держится потому, что крошечные атомные стрелки внутри него выстроены в одном направлении. Но если эти стрелки начинают спорить друг с другом — одни тянут влево, другие вправо, третьи крутятся волчком — возникает магнитная фрустрация. Такой беспорядок рождает причудливые узоры: полосы, спирали, вихри.

В тонкой магнитной плёнке, как в переполненном зале, каждый «человек» — это стрелка-спин, которая норовит встать в одну сторону с соседями. Но в углах зала возникают давки — вихри, где стрелки закручиваются и не могут выровняться. Эти вихри живут парами: один крутится влево, другой вправо, и вместе они не дают залу окончательно успокоиться.

Поверхность Европы — ледяная броня, которую непрерывно обстреливают заряженные частицы из магнитосферы Юпитера. Электроны врезаются в кристаллическую решётку льда, теряют энергию и запускают химические реакции. Раньше не было инструмента, который бы показывал, насколько глубоко такая бомбардировка прошивает лёд. Теперь он появился.

Вода в чайнике закипает при ста градусах, но если её сильно сжать, она поведёт себя иначе. Примерно так же кварки и глюоны — кирпичики, из которых сложены протоны и нейтроны, — меняют свои свойства в сильном магнитном поле.

Магнитные моменты в кристалле похожи на стрелки компасов, закреплённые в узлах решётки. В обычном состоянии они выстраиваются в аккуратный порядок, но если по кристаллу ударить электромагнитной волной, стрелки начинают колебаться — как хлебные колосья под ветром. Эти колебания называют магнонами, и они переносят энергию без перемещения самих атомов.

Мышечное сокращение обеспечивается двумя типами белковых нитей: тонкими (углеродными) филаментами актина и толстыми нитями миозина, которые действуют как молекулярные моторы. В состоянии покоя специальный белок-предохранитель — тропомиозин — блокирует места связывания миозина на актине.

Голубь летит домой за сотни километров. Внутри его головы, во внутреннем ухе, плещется жидкость — как вода в бутылке, которую трясёшь. Когда птица движется, жидкость тоже движется, и это помогает ей держать равновесие. Недавно учёные предположили: может, эта же жидкость работает как крошечный генератор.

Внутри каждой клетки есть каркас из нитей — как строительные леса, которые придают ей форму и позволяют двигаться. Эти нити соединяют белки-сцепки: одни просто держат их вместе, как верёвки, а другие работают как крошечные моторы, ползущие по нитям и тянущие их друг к другу. От того, как слаженно работает эта команда, зависит, сможет ли клетка делиться, ползти или менять форму.

Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В магнетике тоже есть волны — только колеблются не молекулы воды, а направления магнитных стрелок атомов. Такие волны называют магнонами, и по их поведению можно многое понять о невидимых силах между атомами. В новом эксперименте пучок нейтронов пропустили через кристаллы Na₂IrO₃ — соединения натрия, иридия и кислорода.

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.

Луч света с круговой поляризацией падает на кристалл перовскита MAPbI3. Электроны внутри кристалла начинают вести себя как крошечные волчки, чьи оси выстраиваются вдоль луча. Это явление называют оптической ориентацией спинов.

В банке с маслянистой жидкостью плавают миллионы крошечных магнитных крупинок — каждая размером с бактерию. Включили магнит — и крупинки, как послушные солдатики, выстраиваются в длинные нити. Но почему они образуют именно нити, а не комки? Оказывается, дело не только в магнетизме. Каждая частица, двигаясь в жидкости, тянет за собой поток — как весло в воде оставляет за собой завихрения.

Футбольный мяч, закрученный ударом, летит не по прямой, а сгибает траекторию вбок. Примерно так же ведёт себя луч света, если его сильно сфокусировать: он начинает толкать атом не только вперёд, но и в сторону. Физики измерили этот сдвиг на одиночном ионе кальция, пойманном в световую ловушку. Луч направляли на атом, как прожектор на песчинку.

Две натянутые струны, тронутые одновременно, звучат по-разному, если их связать резинкой. Энергия начинает перетекать от одной к другой, и высота общего звука слегка меняется. Примерно так же ведут себя два наномеханических мостика — микроскопические перемычки, вытравленные в кристалле. Они колеблются с частотами в миллионы раз выше, чем слышит ухо, и связаны между собой не резинкой, а электрическими силами.

Пространство между двумя сближенными поверхностями — вовсе не пустота, а бурлящий «квантовый клей». В нём непрерывно рождаются и аннигилируют квантовые флуктуации — микроскопические всплески энергии электромагнитных полей, которые, согласно квантовой теории, придают вакууму динамическую структуру.

Кристалл Mn₃Si₂Te₆ при 78 К превращается в катушку индуктивности, которая не нуждается ни в медном проводе, ни в сверхпроводнике. Электроны внутри него сами организуются в замкнутые вихри с определённым направлением вращения — хиральные орбитальные токи.

В 2022 году физики наблюдали, как гравитация сдвигает фазу волны одиночного атома, — эффект Ааронова–Бома для гравитации. Этот эксперимент стал частью длинного спора: нужно ли квантовать гравитацию, или она останется классическим фоном в квантовом мире. Прямой путь к ответу — заставить две массивные частицы запутаться только за счёт гравитации.

В толще алмаза спрятаны крошечные изъяны — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Эти дефекты, словно маяки, могут хранить и передавать квантовую информацию. Но вокруг бушует магнитная буря: ядра атомов в кристалле колеблются, создавая помехи. Сигнал тонет в шуме. Авторы работы нашли способ пробиться сквозь этот хаос.