магнитный вихрь

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.

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.

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.

В недрах нейтронной звезды, где вещество сжато до плотности атомного ядра, нейтроны образуют сверхтекучую жидкость, а протоны — сверхпроводник. Нейтронный вихрь — это квантованный вихрь в сверхтекучей жидкости, похожий на миниатюрный водоворот, который не может остановиться.

Вихрь в магнитном материале — это как водоворот, но вместо воды закручиваются направления намагниченности. Электрон, пролетая сквозь такой вихрь, чувствует не просто магнитное поле, а искривление пространства: его путь изгибается, словно он катится по воронке с узким горлышком.

Шаровое скопление — плотный рой из сотен тысяч звёзд, гравитационно связанных в компактную сферу, — прошивает галактику, словно пуля воду. В обычной тёмной материи — невидимой массе, удерживающей галактики от разлёта, — оно должно быстро терять скорость из-за приливного трения.

Камень падает в спокойную воду — и по глади расходятся ровные кольца. Если же камень не просто падает, а ещё и вращается, на поверхности появляются маленькие воронки — вихри. Свет умеет делать то же самое, только вместо воды — само пространство и время.

В центре далёкой галактики, где вращается сверхмассивная чёрная дыра массой в сто миллионов солнц, пространство пронизано магнитными полями. Они закручены в тугие вихри — словно воронка в раковине, только вместо воды там плазма, разогнанная до околосветовых скоростей.

Два листа селенида вольфрама — не углеродные, а из соединения вольфрама с селеном — поворачивают друг относительно друга на крошечный угол, около 5 градусов. Возникает муаровая картина: увеличенная периодическая решётка, где электроны ведут себя совсем иначе, чем в обычном кристалле. Недавно в таких скрученных слоях нашли сверхпроводимость.

После Большого взрыва, согласно инфляционной космологии, Вселенная пережила стремительное расширение и серию фазовых переходов. В этот период, как полагают теоретики, в ткани пространства-времени могли застыть топологические дефекты — космические струны, доменные стенки, монополи.

Недра нейтронных звёзд — это царство вырожденной материи. Здесь протоны сжимаются в сверхпроводящий конденсат, пронизанный квантовыми вихрями. Представьте крошечные магнитные волчки: каждый несет квант магнитного потока и скользит сквозь электронную жидкость.

В центре многих галактик прячется невидимое облако — гало из тёмной материи. Если эта материя достаточно холодная и лёгкая, она ведёт себя как сверхтекучая жидкость: течёт без трения, а любое вращение в ней закручивается в крошечные квантовые вихри — нити размером с атомное ядро.

В квантовом мире свой танец. Два сверхпроводящих тороида, уютно удерживающие каждый свой квантованный магнитный поток, кружатся в синхронном вальсе. Между ними — вакуум, ни одной силовой линии, но они безошибочно вторят движениям друг друга.

Узкая длинная сковорода — и тонкий блин застывает на ней неровными полосами. Десятилетиями ученые видели похожую картину, когда моделировали поведение электронов в сверхпроводниках — материалах, проводящих ток без потерь. Они использовали вытянутые «цилиндры», и результат всегда был один: жесткие магнитные «полосы», которые, как считалось, мешают сверхпроводимости.

В магнитной ловушке парит микроскопический магнит — его намагниченная ось зафиксирована, подобно стрелке компаса, которой не дают повернуться. Перед ней вырастает энергетический барьер — невидимая стена. Но в квантовом мире частицы способны просачиваться сквозь преграды: это явление называют туннелированием.

Световая карусель кружит не людей, а электроны. Только вместо деревянных лошадок — невидимые лопасти из света. Именно такую «карусель» построили физики, чтобы придавать электронам вращение. Обычно, чтобы закрутить поток электронов в вихрь, нужна крошечная маска — трафарет с прорезями, вырезанный на масштабе атомов. Изготовить её крайне сложно.

Магнитное поле проникает в сверхпроводник не сплошным потоком, а тонкими нитями — вихрями. Обычно они отталкиваются и выстраиваются в ровную треугольную решётку, как поплавки на воде. Но в CaSb₂ всё пошло иначе: вихри сбились в тесные кучи, а между ними — почти пусто. Каждый вихрь — это крошечная трубка, где сверхпроводимость разрушена, а внутри течёт незатухающий ток.

Внутри сверхпроводника магнитное поле обычно закручивается в трубки — вихри, каждый из которых несёт один квант магнитного потока. Так устроена классическая решётка Абрикосова. Но в кристаллах LiFeAs картина иная. Мюонная спектроскопия показала: поле проникает не отдельными вихрями, а полосами. В каждой полосе — пары «безсердцевинных» вихрей.

Сверхтекучий газ ведёт себя как жидкость без трения. Два облака такого газа соединяются узким мостиком, и через него течёт поток частиц. Это напоминает эффект Джозефсона в сверхпроводниках, только вместо электронов — нейтральные атомы.

Клетка, которая собирается разделиться, сначала намечает на себе талию. Под её оболочкой, в тонком геле из белковых нитей, начинается движение. Нити текут, как медленная река, и в середине клетки образуется пояс. Этот пояс сжимается всё сильнее, пока клетка не перешнуруется пополам. Учёные построили компьютерную модель этого процесса.

В крошечной магнитной точке, размером меньше микрона, живёт вихрь — намагниченность закручена, как вода в воронке. В центре этой воронки — сердцевина, которая сама вращается по маленькой орбите, будто юла, которую подтолкнули. Если на такую точку направить микроволновый сигнал, вихрь откликнется колебаниями на одной частоте — как струна, задетая смычком.

Внутри Земли есть твёрдое железное ядро размером с Луну. Оно плавает в жидком металле и слегка покачивается — как косточка в персике, если потрясти плод. Такие покачивания называют слейтеровскими модами: ядро смещается то вдоль оси планеты, то поперёк. Движение тормозят сразу три силы. Вязкая жидкость обволакивает ядро, как патока ложку. Вращение Земли заставляет жидкость двигаться по спирали.

Вода в чайнике закипает — и по кухне расходятся волны пара. В космосе похожий процесс идёт в плазме — газе, разогретом так сильно, что электроны отрываются от атомов. Вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд эта плазма не просто горячая: частицы в ней носятся почти со скоростью света.

В холодном сердце чистого кристалла электроны текут как вязкая жидкость — идея, предсказанная ещё Львом Ландау. Но вихри этой жидкости оставались невидимыми, словно картина, восстановленная лишь по шуму зрителей. Теперь учёные создали наноструну — полупроводниковый камертон с круглой полостью.

Тонкий лист графина толщиной в несколько микрометров поместили в слабое магнитное поле — и он начал выталкивать его из себя, как губка выталкивает воду, если её сжать. Этот эффект, известный как эффект Мейснера, — фирменный признак сверхпроводника: материала, который проводит ток без потерь.

Электрический ток в сверхпроводнике похож на толпу, бегущую по коридору без трения. Но в сверхпроводниках второго рода есть препятствия — крошечные вихри магнитного поля, которые ток сдвигает с места. Сдвинулся вихрь — появилось сопротивление, и ток падает.

Сверхпроводник проводит ток без потерь, как идеально ровная дорога, по которой машины едут без трения. Но что, если на дорогу насыпать камней и ям? Учёные решили проверить это, добавив беспорядок в сверхпроводящий материал толщиной в один атом. Они взяли тончайший слой соединения железа, теллура и селена — сверхпроводник при температуре выше, чем у многих других.

Обычная компьютерная память постоянно тратит энергию, чтобы хранить единицы и нули. А сверхпроводники проводят ток вообще без потерь — если бы из них собрать память, она почти не потребляла бы электричества. Проблема в том, что сверхпроводники не умеют запоминать: их состояние слишком легко меняется. Кристалл уран-дителлурида оказался исключением.

Обычный сверхпроводник при охлаждении теряет сопротивление, и ток в нём течёт без потерь. Но в сверхтонких плёнках всё иначе: материал колеблется между обычным и сверхпроводящим состоянием, и в этом промежутке возникают странные волны сопротивления. Сопротивление то растёт, то падает, как будто кто-то поворачивает ручку громкости.

Тонкая проволока из особого материала — топологического изолятора — ведёт себя как городская улица: внутри она пустая, а весь транспорт идёт по краям. Электроны в такой проволоке движутся только по поверхности, словно пешеходы по тротуару, не заходя на проезжую часть.

Молодая планета в газовом диске напоминает пловца, который пытается плыть против течения: трение о газ тормозит её, и она по спирали приближается к звезде. Для небольших каменистых планет такое падение может занять меньше времени, чем нужно для их роста. Но в диске есть и встречные потоки — вихри, которые могут подталкивать планету наружу. Учёные построили компьютерную модель диска вокруг молодой звезды.

Обычный выключатель щёлкает — и ток либо идёт, либо нет. А теперь материал, который сам переключается между «проводит без потерь» и «сопротивляется» под действием магнита. Именно такой бутерброд собрали физики: тонкая плёнка свинца лежит на сверхпроводнике из висмута, стронция, кальция, меди и кислорода. Между слоями сам собой вырос тончайший слой оксида свинца — изолятор.

Сверхпроводник — это материал, где электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если в нём возникают вихри, ток начинает «спотыкаться» об эти крошечные завихрения. В графене, скрученном под особым углом, такие вихри можно создавать и изучать по одному. Учёные собрали устройство, похожее на узкий мостик между двумя сверхпроводящими берегами.

В сверхпроводнике электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если поместить такой материал в магнитное поле, внутри появляются вихри — крошечные воронки, в которых сверхпроводимость разрушена. Пока эти воронки стоят на месте, ток идёт свободно. Стоит им сдвинуться — возникает сопротивление, и энергия начинает тратиться впустую.

В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары, которые стоят на месте — их общий импульс равен нулю. Но бывает иначе: пары получают общий импульс и начинают двигаться, как стайка рыб, плывущая против течения. Такое состояние называют волной пар, и оно очень капризное — нужны особые условия.

Кристалл сверхпроводника сжимают в маленькой ячейке — как будто зажимают его в тиски, но с водой, чтобы давление распределялось равномерно. Давление до 1,08 ГПа (это примерно в сто раз больше, чем в автомобильной шине) почти не меняет температуру, при которой материал теряет сопротивление.

Внутри живой клетки крутится крошечный углеродный волчок — молекула размером в миллиардные доли метра. Обычный волчок падает быстро, но этот ведёт себя иначе: он способен вращаться сразу в обе стороны, словно квантовая монетка, вечно застывшая в падении. Такая суперпозиция движений — ключ к его странной избирательности.

В сверхпроводниках могут возникать магнитные вихри — области, где магнитное поле пронизывает материал, образуя структуры, подобные водоворотам в воде. Обычно такие вихри рассеивают энергию из-за внутреннего трения — диссипации — и быстро затухают, что мешает их использованию в квантовых чипах.

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.

Два вихревых кольца, выпущенные одно за другим, проходят друг сквозь друга, меняясь местами. Этот танец, впервые увиденный ещё в XIX веке на дымовых кольцах, теперь воспроизведён на квантовом процессоре. Вихри — актёры на квантовой сцене, где время играет роль дополнительного измерения.