магнитное охлаждение

В двойной звезде белый карлик, как пылесос, стягивает газ с соседней звезды. Если у карлика есть магнитное поле, газ не падает куда попало, а стекает к полюсам, как железные опилки к магниту. Там он накапливается кучей. Но что удерживает эту кучу от расползания? Магнитные силовые линии, которые пронизывают её, как невидимые канаты.

Замороженный оркестр, в котором музыканты меняются местами, когда дирижёр-магнетизм задаёт новую партитуру. В кристалле шпинели атомы железа и магния сидят в двух типах кресел: одни окружены четырьмя соседями, другие шестью. При комнатной температуре они лишь слегка шевелятся, но стоит охладить вещество до 5 К, как начинается массовое переселение.

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.

Магнитный волчок, который не падает. Маленький шарик из железо-иттриевого граната висит в воздухе, удерживаемый невидимыми силами. Это не фокус, а магнитная ловушка Пауля — переменное магнитное поле, которое быстро меняет направление и не даёт шарику упасть, как жонглёр, подбрасывающий мячи. Шарик дрожит, но не падает.

Горячая вода после душа, тёплый воздух из вентиляции, нагретые стенки двигателя — всё это низкопотенциальное тепло с температурой ниже 100°C. Обычно оно рассеивается в окружающей среде, не совершив полезной работы. Теперь появилась технология, которая позволяет улавливать такое тепло и превращать его в электричество. Внутри нового устройства — проволока из никель-титанового сплава.

Магнитное зеркало — это открытая с обоих концов труба, в которой магнитное поле устроено так, чтобы удерживать горячую плазму — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц. На концах поле сгущается, образуя «пробки»: частицы, летящие к выходу, отражаются от этих областей и возвращаются обратно.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

Лазерный луч умеет не только нагревать, но и успокаивать движение. Когда свет попадает в ловушку из зеркал, он давит на них — и если правильно настроить цвет луча, давление превращается в мягкое торможение. Так охлаждают крошечные механические колебания почти до абсолютного нуля. Обычно для этого просто подбирают постоянный оттенок лазера и силу его свечения.

Глубоко под землёй железо раскалено добела, а давление там такое, что обычный прибор сплющился бы в лепёшку. Чтобы заглянуть в этот мир, физики создали особый микроскоп на крошечных алмазных дефектах (так называемых NV-центрах).

Современные холодильники и кондиционеры на фреонах незаметно отравляют атмосферу. Альтернатива — твёрдотельные калорические материалы, охлаждающиеся при быстром изменении давления за счёт барокалорического эффекта.

В горячей кружке вода иногда застывает в лёд быстрее, чем в тёплой. Этому парадоксу больше полувека, и называется он эффектом Мпембы. Обычно его связывают с движением жидкости или испарением. Теперь физики показали: похожий фокус возможен и без воды — просто через излучение тепла.

В кипящей воде можно увидеть прообраз квантового фокуса: если часть жидкости превратить в долгоживущие пузыри пара, основная масса остынет. Именно это происходит при резком ударе по системе взаимодействующих электронов: вспыхивают дублоны — связанные пары частиц, которые вбирают в себя лишнюю энергию и не распадаются поразительно долго.

Магнит размером с рисовое зёрнышко парит в пустоте, не касаясь стенок. Его удерживает магнитное поле сверхпроводящей ловушки — кольца, охлаждённого до такого состояния, где ток течёт без сопротивления. Парение нужно, чтобы убрать трение: без него даже слабый толчок заставляет магнит колебаться очень долго, как камертон после удара.

Квантовые законы безраздельно управляют микромиром, но макроскопические объекты обычно ведут себя классически: тепловое движение атомов заглушает квантовые эффекты. Чтобы крупное тело проявило квантовые свойства, его традиционно охлаждают почти до абсолютного нуля в криостатах, подавляя тепловые флуктуации.

Магнитный вихрь, или скирмион, похож на крошечный водоворот в море спинов — собственных магнитных моментов атомов. Как воронка в реке, он закручивает намагниченность вокруг себя, и этот узор оказывается очень стойким: его трудно разрушить случайной встряской.

Обычная флешка в кармане греется, даже когда просто лежит. А теперь представьте память, которая в холоде почти ничего не тратит — как термос, который не остывает. Сверхпроводник при температуре жидкого гелия проводит ток без потерь, но хранить данные он не умел. Новая ячейка меняет это. Внутри — слоёный бутерброд из ниобия и магнитных плёнок.

Чайник остывает на столе. Тепло уходит в воздух — и пропадает зря. А ведь из него можно было бы выжать немного электричества. Устройства, которые так умеют, называются термомагнитными генераторами. Внутри них нет ни поршней, ни турбин — только материал, который меняет свои магнитные свойства при нагреве и охлаждении.

Магнитное поле Земли, которое поворачивает стрелку компаса, — сильное. Новый датчик ловит поля в сто тысяч раз слабее, и для этого ему не нужны ни жидкий гелий, ни громоздкие установки. Всё умещается на печатной плате — такой же, как внутри смартфона. Секрет — в паре из медного резонатора и кристалла железо-иттриевого граната.

На нейтронную звезду — сверхплотный остаток взорвавшейся звезды — падает газ. Этот газ накапливается на магнитных полюсах и образует гору. Но гора на нейтронной звезде не похожа на земную: она удерживается не камнем, а силовыми линиями магнитного поля, как железные опилки на магните. Когда газа становится слишком много, гора начинает разрушаться.

Две крошечные пылинки парят в перекрестье лазерных лучей. Каждая удерживается своим «пинцетом» — сфокусированным лучом, который не даёт частице упасть. Внутри зеркальной полости свет мечется между стенками, и его колебания связаны с дрожанием пылинок. Обычно такие частицы непрерывно дрожат из-за теплового движения, и это дрожание мешает увидеть квантовые эффекты.

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.

Обычно ток в металле действует как кипяток на лёд: он нагревает материал и разрушает магнитный порядок. Но в слоистой структуре из дителлурида вольфрама и ферромагнетика Fe3GeTe2 ток ведёт себя иначе.

Кусок сплава европия и индия при охлаждении в магнитном поле ведёт себя как вода, которая замерзает не сразу целиком, а сначала в одном углу стакана, потом в другом.

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.

Когда серверы в дата-центре работают на полную мощность, они греются, как утюг, оставленный без присмотра. Это тепло уходит в никуда, а на охлаждение тратится ещё больше энергии. Инженеры из Германии предложили пустить это тепло в дело: пусть оно само гонит жидкость по тонким трубкам, без всяких моторов и помп. Их устройство похоже на плоскую коробочку с несимметричным дном.

Обычная солнечная батарея делает одно дело: светит солнце — течёт ток. А здесь светит солнце, и ток течёт по-разному в зависимости от того, с какой стороны поднести магнит. Слой из молекул фуллерена (похожих на футбольный мяч) работает как посредник: он рождает носители заряда под светом и пропускает через себя электроны с заданным направлением вращения — как будто сортирует их по кручению.

Обычный холодильник на кухне охлаждает всё до одной температуры. Но в лабораториях, где изучают квантовые явления, часто нужны сразу две разные ступени холода. Раньше для этого собирали два отдельных охлаждающих контура — громоздко и тяжело. Инженеры предложили трёхступенчатый холодильник, который работает как умный дирижёр.

Магнит не любит, когда его поле проникает внутрь сверхпроводника. Обычный кусок свинца, охлаждённый до криогенных температур, выталкивает магнитные линии — и левитирует над магнитом. Это эффект Мейсснера–Оксенфельда, открытый в 1933 году.

Жаркий день, и крыша автомобиля раскаляется так, что не дотронуться. Обычно, чтобы охладить поверхность, нужен кондиционер или хотя бы тень. Но есть материалы, которые охлаждают сами себя, просто отражая солнечный свет и излучая тепло в космос. Проблема в том, что такие покрытия трудно наносить быстро и на неровные предметы. Новый метод, названный растворным выдуванием, решает эту задачу.

Ион кальция в магнитной ловушке напоминает шарик, который постоянно подрагивает от тепла. Чтобы заставить его замереть, физики обычно бьют по нему лазером с разных сторон. Но в новом эксперименте хватило одного луча, направленного вдоль оси ловушки. Сначала ион охлаждают обычным способом — лазер слегка притормаживает его движение, как встречный ветер гасит скорость бегуна.

Солнце палит, а гипс на руке остаётся прохладным. Секрет — в тонком покрытии из переработанных костей животных. Обычные охлаждающие поверхности часто жёсткие и хрупкие: их не наклеишь на изогнутую повязку. Здесь взяли коммерческий стекловолоконный гипс, который быстро затвердевает, и добавили два слоя полимеров. Внутри — керамические частицы кальция пирофосфата, полученные из костных отходов.

Крошечные частицы, похожие на цветы, умеют делать сразу два дела: греться и сообщать, насколько они горячие. Это не фантастика, а результат работы с наночастицами из феррита кобальта — магнитного материала, который реагирует на магнитное поле. Обычно для нагрева и измерения температуры нужны разные инструменты, но здесь всё совмещено в одной частице. Как это работает?

Внутри холодильника, который остужает вещество почти до абсолютного нуля, бьётся механическое сердце — пульсационная труба. Она качает газ и отнимает тепло, но вместе с холодом приносит дрожь. Каждый удар этого сердца сотрясает приборы, стоящие рядом с образцом, и портит тонкие измерения.

Обычная компьютерная память всё время тратит энергию, чтобы не забыть записанное. Сверхпроводник мог бы хранить данные без потерь, но его трудно заставить переключаться. В новой работе сверхпроводник зажат между двумя магнитными изоляторами. Магнитные слои действуют как два магнита: если их полюса смотрят в одну сторону, сверхпроводимость включена; если в разные — выключена.

Тёмная материя невидима, но именно она, по расчётам, скрепляет галактики. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумной комнате. Нужен материал, который от малейшего толчка отзовётся громко и заметно. Таким материалом могут стать молекулярные магниты — вещества, в которых каждая молекула работает как самостоятельный магнитик.

Крошечные качели массой всего полтора нанограмма — это не игрушка, а чувствительный осциллятор, который колеблется не от ветра, а от теплового движения окружающей среды. Физикам удалось почти полностью остановить их, охладив до температуры всего 0,006 градуса выше абсолютного нуля. Как? Сначала качели намагнитили, а затем плавно сняли магнитное поле.

Тепловая машина — как парусник: чтобы идти вперёд, ей нужен перепад. Обычно это разница температур между горячим и холодным резервуарами. Но что, если сам резервуар начнёт двигаться? Ветер, дующий в паруса, создаётся не только разностью давлений, но и движением воздушных масс.

Надёжный контейнер вместо хрупкой пробирки — так можно описать переход от ловушек для химически активных радикалов к удержанию стабильных молекул. До сих пор магнито-оптические ловушки работали только с частицами, которые норовят вступить в реакцию при первом столкновении.

Температура в комнате падает на несколько градусов, пока холодильник работает без единого движущегося компрессора. Внутри — не фреон, а кусок металла, который то намагничивают, то размагничивают. Это принцип магнитного охлаждения: при наложении магнитного поля материал нагревается, а при снятии — остывает.