магнитное состояние

В некоторых кристаллах электроны не размазаны равномерно, а выстраиваются в строгую шахматную доску: на одной клетке электронов больше, на соседней меньше. Такой узор называют зарядовым порядком, и долгое время его считали чем-то застывшим, вроде рисунка на морозном стекле. Но недавно выяснилось, что этот узор можно перевернуть, как магнитный порядок переворачивают импульсом тока.

В мастерской природы есть странный станок: он нарезает резьбу на винтиках, но запрещает левую. Винтик можно закрутить как угодно сильно, в любую сторону по часовой стрелке, но против часовой — нельзя. Этот станок — не выдумка, а точное квантовое правило, которое физики только что построили для магнитных материалов.

Два танцора на одной сцене: треугольник и полоса. В квантовом газе из атомов диспрозия, охлаждённом до 62 нанокельвинов, эти две пространственные структуры впервые столкнулись в одном эксперименте. Газ удерживается в ловушке, похожей на доску для сёрфинга, и атомы в нём — одни из самых магнитных в таблице Менделеева.

Тонкий бутерброд из двух разных материалов. Через него пропускают электрический ток — и верхний кусочек намагничивается в одну сторону, а нижний в противоположную. Это не фокус, а слоевой эффект Эдельштейна (от английского layer Edelstein effect), который только что описали физики.

Паркет, где каждая вторая дощечка повёрнута в противоположную сторону, выглядит симметричным. Но если провести рукой, в одном направлении пальцы скользят по волокнам, а в другом — цепляются. Примерно так устроен новый тип магнетизма, который изучали в кристалле AgCrP2S6. В этом слоистом материале атомы хрома выстроены в длинные цепочки — как нитки бус.

В привычной гейзенберговской картине спинам при низких температурах надлежит выстроиться в строгий узор. Но есть кристаллы — например, пирохлор, — где геометрия вершит свой суд.

Внутри кристалла разворачивается незримый балет: магнитные моменты атомов, словно танцоры, то выстраиваются в унисон, то рассыпаются в противофазе. Хореографию диктует квантовый обмен — музыка, чуткая к геометрии связей. Согласно правилам Гуденафа–Канамори–Андерсона, угол M–X–M между магнитным ионом, лигандом и соседним магнитным ионом определяет, смотрят ли спины в одну сторону или врассыпную.

Некоторые материалы внутри устроены как лента Мёбиуса — их электронные состояния закручены особым образом. Такие топологические свойства обычно пытаются менять мощным магнитным полем, словно пытаясь разгладить ленту кувалдой. Группа исследователей нашла более тонкий инструмент.

В мире, стремящемся к хаосу, иногда рождается ритм. Химическая реакция Белоусова–Жаботинского десятилетиями поражает воображение: в пробирке сами собой бегут цветные волны, словно живой организм, дышащий материей. Нечто подобное таится в кристаллах, где атомы железа балансируют между двумя магнитными ипостасями — высокоспиновой и низкоспиновой.

Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник. Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект.

Горка с тремя углублениями: самое глубокое — устойчивое положение шарика, среднее — шаткое. Слабый толчок — и шарик скатывается вниз. Однако постоянная вибрация нужной силы способна удержать его в средней лунке надолго. В 1950-х физики Ли и Янг обнаружили, что любые состояния вещества разделены невидимыми точками в мире мнимых чисел. Эти точки, названные нулями Ли-Янга, очерчивают фазы.

Обычный магнит похож на компас: его стрелка указывает на север. Но квантовый компас способен смотреть в оба направления разом. Если парящий в вакууме магнит осторожно раскрутить, его «волчки»-электроны синхронизируются так, что весь кусок металла начинает жить по законам микромира — замирает в суперпозиции, словно раздвоенный указатель.

Две команды тянут канат с одинаковой силой в разные стороны — канат не двигается, общее усилие равно нулю. Так ведут себя многие антиферромагнетики: магнитные моменты атомов выстроены встречно и гасят друг друга. Но иногда, даже при нулевом общем магнетизме, электроны внутри чувствуют разницу — как будто один конец каната сделан из шёлка, а другой из наждачной бумаги.

Магнитное поле в плазме подобно натянутой мыльной плёнке: внутреннее давление стремится её расширить, а поверхностное натяжение — стянуть, придавая устойчивую форму. В плазме эту роль исполняют магнитные силы: магнитное давление и магнитное натяжение уравновешивают друг друга, создавая хрупкое равновесие.

В обычном кристалле атомы стоят ровными рядами, как солдаты на плацу. Любое отклонение от этого строя принято считать вредным: беспорядок рассеивает волны и быстро гасит коллективные движения частиц. Но в некоторых материалах специально смешивают разные атомы, чтобы получить так называемую высокоэнтропийную структуру — этакий винегрет, где каждый сорт атомов занимает случайное место.

Крошечный магнит, собранный всего из двух молекул, лёг на поверхность металла — и повёл себя как капризный дирижёр. Обычно электроны в металле движутся согласованно, как толпа на эскалаторе. Но при сильном охлаждении этот порядок ломается, и движение становится непредсказуемым. Именно такое поведение удалось зафиксировать в новом эксперименте.

Капля воды на столе выглядит спокойной, но внутри неё кипит квантовая жизнь. Протоны в атомах водорода — как маленькие волчки, которые постоянно крутятся. У каждого есть своё направление вращения. В магнитном поле эти волчки выстраиваются, а если поле начинает колебаться, они начинают «танцевать».

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.

Магнитные волны в сверххолодном газе ведут себя как упругие жгуты. Два или три таких жгута могут сплестись в один узел, который дышит: то сжимается, то раздувается, но не расплетается. Учёные впервые собрали такие узлы в лаборатории и убедились, что их дыхание точно совпадает с расчётами. Газ состоял из атомов двух сортов, которые не смешиваются, как масло с водой.

В микромире всегда присутствует шум. Даже в абсолютной пустоте что-то дрожит, и эти квантовые колебания, предсказанные принципом неопределённости Гейзенберга, мешают точным измерениям. Но шум можно «сжать», словно надувной шарик: если стиснуть его с боков, одна сторона станет тоньше, зато другая распухнет.

Камертон отзывается на трещину глухим звоном — эта аналогия, при всей своей простоте, удивительно точно отражает суть эксперимента. Физики превратили молекулы в сверхчуткий квантовый камертон, чтобы уловить асимметрию электрона — одной из фундаментальных частиц, из которых состоит всё вещество.

Атомы в кристалле обычно сидят по своим местам, как пассажиры в самолёте по билетам. Но в этом материале медь и тантал заняли места случайно — будто билеты перепутали. Учёные заглянули в кристалл с помощью рентгеновского излучения и увидели: беспорядок не просто на бумаге, а в самом расположении атомов. Из-за этого магнитные связи между атомами меди получились очень разными.

Плазма в термоядерном реакторе — как рой светлячков, который нужно удержать в невидимой банке. Раньше считалось, что стенки банки должны быть идеально гладкими, иначе светлячки найдут щель и улетят. Новая работа показывает: банку можно склеить из кусочков с заметными швами, и рой всё равно останется внутри.

Крошечные магнитные стрелки внутри кристалла тербий-иридиевого оксида ведут себя странно: вместо того чтобы лечь вдоль своей любимой оси, они встают поперёк. Такое состояние полностью формируется при охлаждении до 1,5 Кельвина — это холоднее, чем в открытом космосе. Исследователи просветили кристалл нейтронами и увидели, как эти перевёрнутые стрелки колеблются и обмениваются энергией.

В обычном ферромагнетике спины электронов — их внутренние «магнитные стрелки», существование которых постулировал Вольфганг Паули, — ориентированы в одном направлении.

Два мюона рождаются в распаде эта-мезона и разлетаются, связанные квантовой запутанностью. Один экспериментатор, Алиса, измеряет спин отрицательного мюона, а другой, Боб, регистрирует направление позитрона от распада положительного мюона. Казалось бы, порядок событий должен влиять на корреляции. Но вычисления показывают обратное.