сверхпроводимость микрометрового эффекта

Крошечная капсула, похожая на мыльный пузырь, но с оболочкой из светящихся кристаллов, ведёт себя как лазер. Пока её стенка цела, свет бегает по кругу, усиливается и вырывается узким ярким лучом. Стоит стенке лопнуть, и луч превращается в тусклое пятно. Такая капсула — это коллоидосома, и она умеет менять своё свечение по команде.

Свет, падая на обычный пластик, частично отражается — возникает блик, как на оконном стекле. Чтобы подавить эти отражения, на поверхность наносят специальное покрытие из микроскопических элементов, которые гасят отражённую волну.

Сверхпроводящий квантовый интерферометр — это прибор, чувствующий магнитное поле в миллиарды раз слабее, чем стрелка обычного компаса. Внутри него есть узкий мостик, где сверхпроводимость на мгновение прерывается. Этот мостик работает как турникет для магнитного потока: считая, сколько квантов потока прошло, прибор измеряет поле.

Тонкая серебряная струна длиной почти с толщину человеческого волоса — и в ней проявляются чистые квантовые законы. Физики создали проводник, в котором электроны могут двигаться только вперёд или назад, словно по идеально прямой одноколейной дороге без обочин.

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.

В длинном коридоре толпа людей старается держаться подальше друг от друга. В просторном зале они бы просто разошлись, но здесь стены сжимают так, что приходится двигаться гуськом, согласовывая каждый шаг. Похожим образом ведут себя электроны в слоях графена, повёрнутых один относительно другого на крошечный угол.

Камертон звучит всё тише не потому, что его перестали держать, а потому, что сама рука, ударяющая по нему, создаёт вокруг невидимую взвесь, гасящую колебания. Примерно так ведёт себя сверхпроводящий резонатор — крошечная дорожка, по которой почти без потерь бегает микроволновый сигнал.

В сверхпроводнике электроны объединяются в пары, словно танцоры, взявшиеся за руки. Обычно расстояние между ними — размер пары — зависит от того, как быстро они движутся и насколько сильно связаны. Но иногда танцпол почти исчезает, и двигаться некуда. Такое случается в материалах с плоскими энергетическими зонами: здесь электроны почти замирают, и привычные правила перестают работать.

Сверхпроводник не пускает магнитное поле внутрь себя. Но если поле сильное, оно всё же проникает — не сплошным потоком, а отдельными вихревыми нитями, похожими на маленькие смерчи. Внутри каждой нити сверхпроводимость разрушена, а вокруг течёт незатухающий ток. Эти нити не стоят на месте: под действием тока они могут двигаться, и тогда сверхпроводник теряет свои замечательные свойства.

Оркестр без дирижёра играет, и вдруг — без видимой команды — скрипки начинают звучать громче, а духовые чуть смещаются по времени. Со стороны кажется, что ничего не изменилось, но внутри ансамбля произошла перегруппировка. Примерно так ведут себя небольшие физические системы при так называемых псевдопереходах третьего порядка.

Когда вы нажимаете выключатель, свет загорается не сразу — электронам в проводах нужно время, чтобы «раскачаться» и дружно двинуться в путь. В обычных металлах и полупроводниках ток набирает силу постепенно, как вода в шланге, когда кран только открыли.

Один электрон в магнитном поле — как крошечный волчок, который крутится и слабо «пищит» на своей частоте. Услышать этот писк напрямую почти невозможно: он тонет в шуме. Учёные придумали резонатор — сверхпроводящую микроволновую полоску, которая работает как камертон, настроенный на ту же ноту.

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.

Клеточная мембрана — это не просто стенка, а проходная с турникетами. В ней сидят белковые каналы, которые впускают и выпускают ионы и тем самым создают электрический заряд — как батарейка, от которой работают нервы и мышцы.

Металлическая нить толщиной с волос прорастает сквозь керамику, как корень сквозь асфальт. В твердотельных батареях такие нити называют дендритами, и они появляются, когда ток при зарядке превышает критический порог. Керамический электролит — твёрдый, но хрупкий, как стекло.

Настройка радиоприёмника на любимую станцию — это поиск нужной частоты среди шума. Новый прибор делает то же самое, но для волн длиной около трёх миллиметров. Такие волны приходят из далёких галактик и, возможно, от частиц тёмной материи. Прибор — это узор из сверхпроводящих ниобиевых дорожек на кремниевой пластинке.

В обычном проводнике электрический ток течёт симметрично: электроны движутся одинаково легко в обоих направлениях, подобно воде в прямой трубе. Однако на границе нормального металла и сверхпроводника эта симметрия исчезает.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен играть свою ноту без фальши. Но у сверхпроводящих кубитов есть общая беда: на их электродах копятся случайные заряды, и «нота» уплывает. Инженеры называют это дрейфом зарядового смещения — и обычно борются с ним годами.

Обычная пайка не подходит для квантовых схем: при охлаждении до температуры жидкого гелия металл трескается, а сами контакты вносят шум. Инженеры из исследовательской группы попробовали другое — каплю галлиевого сплава, которая остаётся жидкой при комнатной температуре, как ртуть в старом градуснике.

Полупроводниковая плёнка толщиной в один атом — это аналог тонко натянутой мембраны. Под воздействием света она вспыхивает: в ней рождаются экситоны — связанные состояния электрона и дырки, которые ведут себя как светящиеся точки и быстро рекомбинируют, то есть гаснут.

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.

Вселенная похожа на океан, где волны разной длины накатывают на берег. Самые длинные волны — это гигантские неоднородности в распределении вещества, которые мы видим в реликтовом излучении. Стандартная теория говорит, что такие волны должны существовать на всех масштабах.

Пылинка в межзвёздном пространстве — как крошечный компас. Внутри неё сидят вкрапления магнитного минерала, которые заставляют пылинку поворачиваться вдоль невидимых силовых линий магнитного поля. От того, насколько послушно пылинки выстраиваются, зависит, как они поляризуют свет далёких звёзд и что за излучение испускают.

Рентгеновский луч падает на кусочек сверхпроводника, и тот едва заметно теплеет. Этот нагрев в миллиардные доли градуса — единственный след, который оставляет свет. Новый детектор ловит именно его, как чуткий термометр, прижатый к холодному металлу. Внутри датчика — сверхпроводящая плёнка, работающая на грани потери сверхпроводимости.

В сверхпроводящих цепях, из которых строят квантовые компьютеры, время от времени рождаются лишние частицы — квазичастицы. Они похожи на случайных прохожих, которые врываются в работу процессора и портят вычисления. Учёные научились ловить эти события в реальном времени на двух соседних кубитах — сверхпроводящих элементах, чувствительных к заряду.

Тонкая сверхпроводящая проволока, охлаждённая почти до абсолютного нуля, способна почувствовать одиночную частицу света. Такие детекторы незаменимы в квантовых вычислениях и защищённой связи, но их характер портит беспорядок — случайные неровности и примеси, которые невозможно убрать полностью. Физики решили не бороться с беспорядком, а приручить его.

Крошечная чешуйка кристалла лежит на подложке, как осенний лист на ладони. Толщина — тоньше человеческого волоса, а внутри кипят квантовые эффекты: сверхпроводимость, магнитный порядок, квантовая спиновая жидкость. Но как измерить, насколько эта чешуйка разбухает от тепла или сжимается в магнитном поле?

Кончик иглы, которым водят по поверхности, чтобы почувствовать неровности, обзавёлся сверхчувствительным «носом» для магнитных полей. Учёные собрали на острие кантилевера — тонкой упругой балки, как в атомно-силовом микроскопе, — крошечный сверхпроводящий контур, который ловит малейшие колебания магнитного потока.

Космическая пыль — это не грязь, а мельчайшие крупинки, похожие на сажу от костра, только разбросанные между звёзд. Некоторые из них крутятся с бешеной скоростью, миллионы раз в секунду, и при этом испускают слабые радиоволны. Астрономы называют это аномальным микроволновым излучением — оно мешает изучать раннюю Вселенную, но и само по себе загадочно.

Два куска графита трутся друг о друга, а сопротивление исчезает, будто их разделила невидимая плёнка масла. Раньше такое видели только под микроскопом, на крошечных пятнышках контакта. Теперь учёные зажали между двумя слоями графита площадку в доли миллиметра и надавили с силой до половины ньютона — как если бы на неё положили небольшое яблоко.

Точные измерения силы тяжести нужны и геологам, и навигаторам. Но обычные гравиметры — громоздкие приборы, которые долго «успокаиваются» после каждого измерения. А если нужно следить за быстрыми изменениями притяжения — например, при движении под землёй или в полёте? Тут нужен прибор маленький и отзывчивый. Авторы статьи предлагают собрать такой прибор на одном чипе.

Квантовые частицы в среде с сильным беспорядком ведут себя подобно танцорам, синхронно исполняющим па: каждый знает своё движение и не сталкивается с другими. Именно такое согласованное течение без трения — сверхтекучесть — неожиданно возникло в эксперименте на сверхпроводящем квантовом чипе.

Цепочка атомов, размещённая на светопроводящем чипе, ведёт себя подобно ряду маятников на общей перекладине: раскачиваясь в противоположных направлениях, они почти не передают энергию воздуху и замирают надолго.

Вещество можно представить как дом. В одних комнатах царит строгий кристаллический порядок — каждый атом на своём месте, словно мебель по линеечке. В других — хаос сверхтекучего гелия, где атомы теряют память о соседях и текут без трения.

Ударьте в гонг — и звук будет таять слоями: низкий гул держится дольше, высокие обертоны исчезают первыми, оставляя после себя тишину. Так и кубит, проживая свою квантовую жизнь, оставляет не одно, а сразу три эха собственного прошлого.