перовскит

Прозрачная плёнка оксида висмута-вольфрама лежит на подложке и не проводит ток. Три минуты в облаке азотной плазмы, и она чернеет, а сопротивление падает в миллиард раз. Секрет не в новых атомах, а в перестановке старых: пустые места, где раньше сидел кислород, выстраиваются в ровные ряды, как солдаты по команде. Эта шеренга пустот становится дорогой для электронов.

Три шкафа с камнями. В одном — металлические крупицы и серый минерал энстатит, во втором — те же крупицы, но с ржавыми прожилками, в третьем — слоистые глины, набухшие от воды. Все три набора достали из метеоритов, упавших на Землю, — хондритов. Они родились в одном газопылевом диске вокруг молодого Солнца, но почему-то вышли такими разными.

В куске метеорита EET 87720, найденном во льдах Антарктиды, лежит розовая песчинка. Это шпинель — минерал, который в урейлитах почти не встречается, а тут вырос до полумиллиметра. Такая находка — как капсула времени из раннего расплава: она застыла, когда родительское тело ещё только начинало остывать.

В тонком слое жидкого кристалла молекулы обычно ориентированы подобно спичкам в коробке: их длинные оси параллельны, но направления «вверх» и «вниз» распределены хаотично. Чтобы заставить все молекулы смотреть в одну сторону, требуется особое молекулярное устройство. Исследователи нашли химический приём, который делает это почти автоматически.

Когда фотон поглощается в полупроводнике солнечной батареи, рождается пара носителей заряда — электрон и дырка, обладающие избыточной кинетической энергией.

В тонкой плёнке перовскита — перспективного материала для дешёвых солнечных батарей — свет рождает пары зарядов: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженную «дырку» (вакансию электрона в кристаллической решётке, ведущую себя как частица). Им нужно добраться до электродов и дать ток, но по пути многие исчезают.

Перовскитная солнечная батарея напоминает молодую спортсменку: на старте демонстрирует выдающиеся показатели, но быстро утомляется. Всего за восемь часов её эффективность заметно снижается, хотя видимых дефектов — трещин, пыли, отслоений — не наблюдается.

Горный склон после снегопада кажется хаотичным нагромождением снега. Но стоит измерить неровности — и обнаруживается: перепады высот подчиняются строгой математике. Случайные процессы здесь не вполне случайны. Они порождают универсальные узоры — будь то снег, пламя лесного пожара или рост колонии бактерий. Физики называют это классом универсальности Кардара — Паризи — Чжана (КПЗ).

При сильном морозе — минус 268 градусов — кристаллическая плёнка перовскита начинает по-разному пропускать свет в зависимости от его поляризации. Луч как будто раздваивается: одна часть идёт чуть быстрее, другая чуть медленнее. Разница в энергии между ними — всего 45 тысячных электрон-вольта, но этого хватает, чтобы чётко разделить два оптических канала.

Гибридные перовскиты — восходящие звёзды фотовольтаики: их эффективность растёт так быстро, что кажется, будто мы на пороге солнечной революции. Но эти материалы, словно искусные мозаики из атомов, чрезвычайно уязвимы: влага, тепло и свет быстро превращают их в пыль.

В 2019 году в Солнечную систему залетел необычный гость — комета 3I/ATLAS. Она пришла от другой звезды, и астрономы впервые смогли разглядеть, из чего состоит её пылевой хвост. Инструмент MIRI на телескопе Джеймса Уэбба уловил характерный пик излучения на длине волны 10 микрон.

Атмосфера Титана, открытого Христианом Гюйгенсом, представляет собой плотную дымку, непрозрачную для обычных телескопов.

Перовскитные кристаллы — это класс материалов с уникальной кристаллической решёткой, способных преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью, сопоставимой с традиционным кремнием, но при значительно меньшей стоимости производства.

Металлический брусок при нагреве вдруг становится жёстким, а заодно теряет или приобретает магнитные свойства. В сплавах на основе никеля и марганца такие превращения происходят не плавно, а скачком — атомы перестраиваются в новый порядок, и материал меняет своё поведение.

Крошечная песчинка, которая старше Земли, нашлась в метеорите Meteorite Hills 00526. Её размер — около одной тысячной миллиметра. Она состоит из трёх частей: силиката с магнием и кальцием, оксида алюминия и крупинки оксида титана. Эта пылинка родилась не в Солнечной системе, а в недрах звезды, которая давно погасла.

Плутоний — металл с характером. Одна его форма сжимается при охлаждении, другая — разбухает. Но при комнатной температуре сплав ведёт себя странно: линейка показывает одно, а рентгеновские лучи — другое. Линейка говорит, что образец почти не растёт, а рентген видит, как атомы в кристаллической решётке разъезжаются всё дальше. Куда исчезает лишний объём? Ответ, возможно, кроется в появлении невидимой фазы.

Кристалл — как город: если улицы кривые, движение застревает. В кристалле роль улиц играют атомные ряды, а движение — это поток электронов. Малейшая неровность, примесь или смещение атома заставляет электроны рассеиваться. Учёные из нескольких лабораторий научились выращивать кристаллы так, что «улицы» стали почти идеально прямыми. Метод называется горизонтальный перенос вещества.

Сверхпроводник — это материал, который при сильном охлаждении теряет электрическое сопротивление: ток по нему течет без потерь. Ученые взяли слоистый кристалл PdTe2, похожий на стопку листов бумаги, и охладили его до температуры ниже 1,8 кельвина (это примерно -271°C). В таких условиях PdTe2 становится сверхпроводящим.

Сплав палладия и теллура, в который добавили немного золота, ведёт себя как провод, теряющий сопротивление при охлаждении. При обычном давлении у трёх образцов с разным содержанием золота температура перехода в сверхпроводящее состояние составила 2.7, 4.1 и 4.6 кельвина — это холоднее, чем в морозильной камере, примерно как в открытом космосе.

Плетёная корзина из ивовых прутьев держит форму за счёт переплетения. Похожий узор — треугольники, сцепленные в плоскую сетку — обнаружили в новом кристалле с формулой Cs₃V₉Te₁₃. Здесь атомы ванадия образуют два набора треугольников, которые пронизывают друг друга, как нити в ткани. Этот узор не просто красив: он заставляет электроны двигаться по особым «плоским» энергетическим дорожкам.

Кристалл титаната бария напоминает толпу, где каждый человек держит в руках стрелку-указатель. В обычном состоянии стрелки смотрят в разные стороны, но если приложить электрическое поле, все разом поворачиваются в одну сторону.

Тонкая плёнка из оксида никеля толщиной в десятки нанометров — как лист бумаги, сложенный в сотни раз тоньше. При комнатной температуре она проводит электричество, но стоит слегка охладить — становится изолятором. Этот переход металл-изолятор давно известен, но как при этом ведёт себя тепло, оставалось загадкой.

Солнечная батарея — как сердце: если заставить её биться в неправильном ритме, она быстро устаёт. Обычно элементы проверяют, подавая обратное напряжение, но в реальной жизни тень от листа или птицы заставляет соседние ячейки пропускать через себя чужой ток. Авторы новой работы впервые детально изучили, что происходит, когда через перовскитный элемент гонят постоянный обратный ток.

Световой луч наносит на тонкий кристалл узор, и по этому узору тепло бежит в нужную сторону, как вода по прорытому руслу. Так работает новый способ управлять потоками энергии на расстояниях в десятки нанометров — в сотни раз тоньше человеческого волоса. Внутри кристалла оксида молибдена возникают особые волны — гиперболические фононные поляритоны.

Кристалл размером с половину спичечного коробка вырастили в печи, где расплавленная зона медленно ползла вдоль стержня, оставляя за собой идеально упорядоченные слои. Внутри этого кристалла ионы меди сидят в узлах треугольной сетки — но треугольники слегка перекошены, как будто кто-то надавил на один угол. Каждый ион меди ведёт себя как крошечная магнитная стрелка, которая может указывать вверх или вниз.

Титан, крупнейший спутник Сатурна, окутан плотной оранжевой дымкой. Она состоит из углеводородов и других органических молекул, которые рождаются, когда солнечный свет расщепляет метан и азот в верхних слоях атмосферы. Химики называют такой процесс фотохимией — свет работает как невидимый повар, собирающий из простых ингредиентов всё более сложные блюда.

Лист бумаги в сотни раз тоньше человеческого волоса — примерно такой толщины плёнку из оксида ванадия вырастили учёные. Внутри этой плёнки электроны, крошечные носители электрического тока, движутся почти без столкновений. Словно машины на пустой ночной трассе, они разгоняются и не теряют скорость.

Экспериментальный скрининг органических соединений для солнечных элементов напоминает дегустацию соуса в ресторане, где повара сменяются каждые пять минут: неконтролируемые помехи — влажность, чистота подложки, метод нанесения — маскируют истинный эффект.

Электрон обладает собственным моментом вращения — спином, который можно представить как непрерывное кружение микроскопического волчка.

Серебряно-ниобиевый оксид AgNbO₃ — это слоёный пирог из атомов серебра, ниобия и кислорода. При комнатной температуре он ведёт себя как обычный диэлектрик, но если его охладить, атомы начинают смещаться, и кристалл обретает электрическую поляризацию — как стрелка компаса, только вместо севера указывает направление внутреннего электрического поля.

Когда молодая звезда выбрасывает струи газа, они врезаются в окружающее облако, как кулак в подушку. В месте удара газ сжимается и разогревается — получается ударная волна. В этой горячей зоне атомы и простые молекулы сталкиваются и собираются в более крупные соединения. Их называют сложными органическими молекулами.

Квантовая точка размером с несколько тысяч атомов мигает, как неисправная лампочка. То вспыхнет ярко, то почти погаснет. Раньше считалось, что в тёмные моменты она испускает не только одиночные фотоны, но и лишние пары — а это брак для квантовой связи. Новые измерения на отдельных точках показали обратное: у некоторых точек в тусклом состоянии лишних фотонов меньше.

Свет от крошечных кристаллов перовскита — как выступление хора, где голоса звучат то по одному, то стройным дуэтом. Раньше такой дуэт удавалось услышать только при сильном охлаждении, почти до космического холода. Теперь хор запел при комнатной температуре.

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.

Ночное небо иногда прочерчивает огненная полоса. Это кусочек камня из космоса сгорает в воздухе, и по цвету вспышки можно прочитать, из каких элементов он состоял. Астрономы навели на такие вспышки чувствительные камеры и среди 180 снимков нашли два камня, которые не похожи на большинство падающих звёзд.

Луч фонарика в тумане расплывается уже через пару метров. Световые частицы разбегаются в стороны, как толпа на площади. Но иногда они могут идти строем — не расходясь, не смешиваясь. Именно такой марш удалось получить в крошечном кристалле перовскита. Кристалл поместили между двумя зеркалами.

Научные статьи выходят быстрее, чем люди успевают их читать и систематизировать. В области перовскитных солнечных элементов главная база данных застыла в 2021 году, хотя исследования идут полным ходом. Теперь на помощь пришла PERLA — автономная живая база, которая сама следит за потоком публикаций.

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.

В глубоком космосе, на расстоянии более 12 миллиардов световых лет, телескоп Джеймса Уэбба разглядел галактику, которая выглядит как гостья из первых дней мироздания. Её свет шёл к нам с тех времён, когда Вселенной было всего около двух миллиардов лет — тогда галактики росли особенно бурно, и этот период называют космическим полуднем.

Кубик из танталата калия ведёт себя как обычный диэлектрик: электрическое поле он не хранит. Но стоит вырастить этот материал тонкой плёнкой на подложке из другого кристалла, как всё меняется. Кристаллические решётки плёнки и подложки не совпадают по размеру, и плёнка вынуждена подстроиться — она сжимается на 2,1 процента.