фазовые флуктуации

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.

Представьте почти пустой танцпол, где редкие посетители движутся каждый сам по себе — хаотично, без связи друг с другом. Но стоит включить определённую музыку и немного охладить зал, как танцоры вдруг выстраиваются в длинные цепочки и начинают двигаться в унисон. Примерно так ведут себя электроны в разрежённом трёхмерном газе.

Сверхтекучий газ — это квантовое состояние вещества, в котором атомы ведут себя как единое целое, подобно толпе людей, идущих в ногу: каждый атом «знает» направление движения и не выбивается из общего ритма. Но у этой квантовой толпы есть три «долины» — три разрешённых квантовых состояния, соответствующих разным направлениям коллективного движения.

Капля за каплей из крана — или ровная струя без единого всплеска. Примерно так выглядят два режима тока в сверхпроводящем контакте. Только роль воды играют куперовские пары — связанные электроны, которые движутся без сопротивления. В одном пределе пары просачиваются по одной, как редкие капли: ток идёт, но с потерями. В другом — льются единым потоком, совсем без трения.

На заре времён Вселенная пережила краткий миг бешеного раздувания — инфляцию. Крошечные квантовые дрожания пространства-времени растянулись до космических масштабов. Эти дрожания — первичные неоднородности — стали теми семенами, из которых позже выросли галактики и звёзды.

Тонкая плёнка особого кристалла — например, дисульфида молибдена — лежит на предметном столике. Температура чуть выше той, при которой материал становится сверхпроводником.

Двумерные миры не устают удивлять: здесь даже плавление кристалла — не разрыв симметрии, а вихревой спектакль, открытый Костерлицем и Таулессом. В сердце этого театра — топологические сингулярности, чья энергия и энтропия торгуются о порядке. Этот язык един для сверхтекучести и сверхпроводимости.

Слаженный оркестр электронов в сверхпроводнике легко сбить с ритма. Тепловые толчки разрушают хрупкий порядок, и сопротивление возвращается. Десятилетиями учёные искали способы укрепить этот ансамбль — в основном меняя состав материала или сжимая его до немыслимых давлений. Но есть и третий, почти бестелесный инструмент: пустота, наполненная электромагнитным гулом.

Тонкая плёнка из оксида иттрия-бария-меди греется в потоке инфракрасных лучей — и вдруг перестаёт рассеивать энергию. Это сверхпроводимость: электроны объединяются в пары и движутся единым квантовым роем. Но в недодопированных образцах согласие нарушается задолго до того, как пары распадутся. Они уже есть, а общий ритм ещё нет.

Квантовый мир полон сюрпризов. В параметрическом осцилляторе Керра — устройстве, где свет заперт в кольце и раскачивается внешним полем, — недавно заметили странную вещь: пары энергетических уровней сливаются в объятиях. Физики назвали это «спектральным поцелуем» спектроскопия. Слияние уровней — признак квантового фазового перехода в возбуждённом состоянии.

С помощью лазерной спектроскопии — метода, который можно сравнить с прослушиванием эха от кристалла: световой импульс возбуждает образец, а отклик рассказывает о внутренней структуре, — физики исследовали слоистый материал.

Рой светлячков почти не сталкивается, но синхронно меняет цвет, обмениваясь сигналами. Так ведут себя нейтрино в плотных потоках от коллапсирующих звёзд: они коллективно превращаются из одного типа в другой, хотя поодиночке взаимодействуют крайне слабо.

Сверхпроводник проводит ток без сопротивления — как вода, бегущая по трубе без трения. Секрет в электронных парах: два электрона слипаются в одно целое, хотя обычно отталкиваются. В обычном сверхпроводнике спины электронов в паре смотрят в разные стороны — это синглетное состояние. Его можно сравнить с двумя фигуристами, которые кружатся спина к спине.

Качели могут раскачиваться сильно или едва заметно. Обычно, если их не трогать, они остаются в выбранном режиме. Но в микромире всё иначе: крошечная мембрана, колеблющаяся под действием лазерного луча, способна самопроизвольно перепрыгивать из одного размаха в другой. Это похоже на побег с одной орбиты на соседнюю, только движет этим побегом не ракета, а вездесущий квантовый шум.

Два тонких листа с нарисованными сотами наложили друг на друга и слегка повернули. Возникает новый узор — муар, похожий на переливы шёлка. Примерно так же повели себя электроны в эксперименте: они выстроились в два слоя, и один слой оказался повёрнут относительно другого ровно на 30 градусов.

В сверхтекучем гелии исчезает вязкое трение — жидкость течёт, как горный ручей, но без малейших завихрений, демонстрируя макроскопический квантовый эффект.

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.

Сотни людей на танцполе стоят на равном расстоянии друг от друга — строгий порядок, как в кристаллической решётке. Медленная музыка — это тепловые колебания, от которых танцоры начинают слегка покачиваться. Если музыка становится громче и быстрее, порядок рушится: все смешиваются. Так тепловое движение разрушает упорядоченные состояния электронов в твёрдых телах.

Переполненный автобус, где каждый пассажир — электрон. В сверхпроводнике пассажиры объединяются в пары и движутся слаженно, без потерь энергии. Но в высокотемпературных сверхпроводниках, таких как купраты, эта идиллия работает только при добавлении лишних пассажиров. Если же кого-то высадить, пары начинают вести себя странно.

Медный кристалл сжимают в алмазных тисках. Давление растёт, и внутри материала разворачивается борьба двух состояний: одно готовит электроны к сверхпроводимости, другое, наоборот, мешает им объединяться. Учёные следили за этой борьбой с помощью сверхкоротких лазерных вспышек.

Лазер бьёт по кристаллу, и тот отвечает вспышками света — как колокол звенит в ответ на удар. Но если колокол тёплый, его звук дрожит и глохнет. Так и здесь: атомы кристалла постоянно дрожат от тепла, и эта дрожь мешает электронам лететь ровно, поэтому свет получается тусклым и смазанным. Учёные взяли кристалл Re6Se8Cl2 — вещество, где атомы собраны в крупные блоки, похожие на строительные кубики.

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара рождаются и лопаются, но сама вода остаётся жидкостью. Похожее происходит в ультрахолодном атомном газе: атомы постоянно образуют пары и снова разлетаются, хотя сверхтекучесть ещё не наступила. Из-за этого в спектре частиц появляется «мёртвая зона» — псевдощель, где энергия не может принимать определённые значения.

Нейрон воспринимает электрические сигналы, подобно сверхчувствительному микрофону, улавливающему малейшие колебания. Его «слуховой аппарат» — ионные каналы, белковые поры в клеточной мембране, которые открываются в ответ на изменение трансмембранного напряжения, порождаемого движением заряженных частиц.

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, которые обычным не по силам. Но их детали — квантовые биты — очень чувствительны. Один из вариантов таких битов — колебательный контур, который может находиться в двух состояниях, как маятник, качающийся влево или вправо. Эти состояния и хранят информацию.

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.

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.

Жидкий гелий при сверхнизких температурах переходит в состояние сверхтекучести — течёт без трения, словно идеальная смазка. В этой квантовой жидкости рождаются вихри, внешне похожие на обычные водовороты в воде, но с принципиальным отличием: их угловой момент, или сила вращения, квантуется.

Горячая плазма в токамаке похожа на капризного зверя: её нужно удержать, но при этом не дать перегреться. В реакторе ASDEX Upgrade нашли режим, где вихри плазмы сами решают эту задачу. Численное моделирование показало, что колебания на границе плазмы выбрасывают наружу сгустки — как пузыри из кипящей кастрюли.

Перед ударной волной, которую Земля создаёт в солнечном ветре, иногда появляются гигантские пузыри разреженного газа. Внутри них плотность частиц падает в разы, а электрические поля начинают дрожать, как струна после щипка. Четыре спутника миссии MMS, летящие строем, измерили эти колебания с невиданной ранее точностью.

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.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант-кубит должен играть свою ноту без фальши. Но время от времени в зал врывается прохожий — частица радиации из космоса — и сбивает музыкантов с ритма. Такие сбои называют всплесками ошибок, и они мешают вычислениям.

Внутри некоторых материалов электрический ток течёт без малейшего сопротивления. Это сверхпроводники, и они работают только при сильном холоде. Оксиды меди — особый случай: они сохраняют сверхпроводимость при температурах повыше, но почему — загадка уже сорок лет.

В кювете размером с монету свет ведёт себя как вода: он собирается в единую квантовую жидкость. Когда в неё добавляют энергию, в этой жидкости сами собой закручиваются воронки — квантовые вихри. Каждый вихрь похож на крошечный водоворот, который не может исчезнуть просто так. Физики подсветили эту жидкость лазером и сделали мгновенные снимки.

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.

Обычный провод на высоких частотах похож на дорогу с ямами: сигнал прыгает, часть энергии уходит в тепло. Сверхпроводящая цепочка из алюминия и арсенида индия (полупроводника) оказалась гладкой трассой для микроволн. В цепочке много одинаковых звеньев — джозефсоновских контактов, где ток течёт без сопротивления благодаря квантовым парам электронов.

Любая машина, будь то автомобильный мотор или крошечный нанохолодильник, работает с дрожью. Топливо сгорает неравномерно, электроны проскакивают через контакты не по расписанию — и стрелка мощности на приборах мелко вибрирует. Эти вибрации называют флуктуациями. Они не просто шум: по ним можно судить, насколько стабильно устройство и сколько энергии оно тратит впустую.

Внутри крошечной зеркальной полости, размером меньше толщины волоса, свет заперт и многократно отражается от стенок. Если туда поместить вещество, способное поглощать и испускать свет, то частицы света (фотоны) начинают «одеваться» в возбуждения вещества — так рождаются поляритонные моды.

В кристалле TiSe2 электроны ведут себя как стрелки компаса, которые вдруг начинают указывать в одну сторону. Это называется нематическим состоянием — по аналогии с жидкими кристаллами, где молекулы выстраиваются вдоль общего направления, хотя сам материал остаётся жидким.

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.

Сверхтвёрдое тело — это лёд, который течёт. Представьте пруд, схваченный ледяной коркой, но с жидкой глубиной, где вода движется без трения. Обычно такую «корку» — сверхтвёрдое состояние — создают, меняя свойства жидкости по всему объёму.