фонон

Лазерный импульс падает на тонкую плёнку MoS₂, и внутри неё закипает облако электронов с избыточной энергией. Эти горячие носители похожи на бегунов, которые стартовали с высокой скоростью, но по дороге к финишу им предстоит растерять весь запал из-за столкновений с кристаллической решёткой.

В сверхпроводнике, где электроны движутся парами без сопротивления, по краям могут бежать особые волны — как рябь вдоль кромки ковра. Эти краевые моды — важная характеристика материала, но измерить их число напрямую трудно. Учёные предложили хитрый инструмент: подвижную стенку внутри сверхпроводника, которая разделяет области с разным «закручиванием» электронных пар — так называемым киральным параметром порядка.

Две струны натянуты рядом: одна толстая и глухая, другая тонкая и звонкая. Если дёрнуть толстую, звук получится размытым, без чёткой высоты. А тонкая отзовётся чистым тоном. Но если связать их вместе, возникает неожиданный эффект: в спектре появляется резкий провал, будто кто-то выключил звук на одной ноте.

В кристалле рутилового ниобата атомы никеля находятся в кислородных октаэдрах — клетках, образованных шестью атомами кислорода. Иногда один из атомов никеля теряет электрон, и заряд перескакивает на соседний атом, как эстафетная палочка. Но этот прыжок не случаен: его запускают колебания всей кристаллической решётки — фононы.

Бросьте в пруд камешек — и по воде пойдут круги. Примерно так же любое тело, даже самое маленькое, возмущает гравитационное поле вокруг себя. В пустом холодном космосе эти возмущения, словно рябь на тихой глади, заставляют два близких объекта всегда отталкиваться. Это явление называют гравитационным взаимодействием Казимира–Полдера.

Тонкая магнитная плёнка толщиной всего три микрометра покоится на кристаллической подложке. Если её возбудить, по ней побегут спиновые волны — волны намагниченности, подобные кругам на воде. Одновременно в подложке могут возникать упругие колебания, похожие на дрожь натянутой струны.

Световое поле, подобно аккуратной вафельнице, формирует в пространстве регулярный узор из ярких и тёмных областей. В самых светлых точках, как в крошечных лунках, застревают атомы — так образуется оптическая решётка. Это излюбленный инструмент физиков для изучения квантовых свойств вещества в изолированных условиях.

В кристалле тепло распространяется посредством колебаний кристаллической решётки. Атомы колеблются, и эти колебания, называемые фононами — коллективными возбуждениями, переносящими энергию, — перемещают тепло от горячего края к холодному.

В кристалле тепло распространяется посредством колебаний кристаллической решётки. Атомы колеблются, и эти колебания, называемые фононами — коллективными возбуждениями, переносящими энергию, — перемещают тепло от горячего края к холодному.

Горячий чай остывает, а мороженое тает — тепло всегда переходит от тёплого к холодному, и этот закон казался нерушимым. Но в квантовом мире даже привычные правила можно переписать. Физики поместили крошечный механический резонатор (вибрирующую перемычку размером с микроб) в оптическую полость между двумя зеркалами.

Массивный алюминиевый цилиндр весом в тонну висит в вакууме. Сквозь него проходит гравитационная волна — рябь пространства-времени, — и брусок начинает едва заметно дрожать. Эту дрожь можно услышать как звук: гравитационная волна превращается в фонон — квант звуковых колебаний.

Низкочастотные радиоволны (от 30 до 300 килогерц) несут информацию сквозь толщу воды и земли. Но поймать их обычной антенной трудно: длина волны достигает нескольких километров, и маленький приёмник почти не чувствует такое поле. Физики нашли выход — они сделали антенной одиночный ион. Ион кальция-40 подвесили в вакууме с помощью электрических полей на поверхности чипа.

Мозаика из квадратов и треугольников покрывает пол без щелей, но не складывается в простой повторяющийся рисунок. Такой узор — это квазикристалл, твердое тело, где атомы расставлены не периодически, а по рисунку из нескольких волн разной длины. Волны эти несоизмеримы друг с другом, и вместе они создают дальний порядок.

В 1915 году Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хааз показали, что при намагничивании железного стержня тот слегка поворачивается — угловой момент электронов передаётся кристаллической решётке.

В мире двумерных материалов порой рождаются состояния столь же необычные, как и хрупкие. Одно из них — дробный аномальный холловский кристалл (FAHC) — словно квантовый кентавр: наполовину упорядоченная решётка, наполовину топологическая жидкость.

В мире, закованном в кристаллическую решётку и охлаждённом почти до абсолютного нуля, материя умеет скрывать свои главные тайны. Квантовая спиновая жидкость — состояние, где спины электронов никогда не замирают даже при нулевой температуре, оставаясь в вечно мерцающей суперпозиции.

Гитарная струна продолжает дрожать даже после того, как музыкант отпустил её, — и это дрожание меняет звук, который слышит слушатель. Примерно так же ведут себя магнитные моменты в кристалле: они выстраиваются в строгий антиферромагнитный порядок (соседи смотрят в разные стороны), но при этом никогда не замирают полностью.

От Солнца к Земле мчится солнечный ветер, но магнитосфера заворачивает поток и лепит из него плазменные хвосты. Тот же мотив — в сердце галактик: джеты из аккреционных дисков чёрных дыр закручены невидимой рукой магнитного поля. А теперь представьте дипольную реку внутри крошечного кристалла.

В глубине алмазного кристалла, усыпанного NV-центрами, дремлет симфония. Каждый дефект — как камертон, готовый отозваться на пробегающую акустическую волну. Но поодиночке их голоса еле слышны: связь спина и фонона слабее шёпота. Нужен маэстро, способный превратить робкие колебания в громогласный хор. И такой маэстро — лазерный луч.

Лазер — это не только свет. Если заставить частицу колебаться, как маятник, и эти колебания сами себя поддерживают, получается фононный лазер. Звучит сложно, но суть проста: вместо волн света прибор испускает стройные волны механических колебаний — фононы. В новой работе таким «маятником» стал один-единственный ион кальция, пойманный в электромагнитную ловушку.

Камешек падает в пруд — и по воде расходятся круги. В квантовом мире пруд состоит не из воды, а из множества одинаковых частиц, и камешек — тоже частица, только чужая. Такую чужую частицу называют поляроном Ферми. Десятилетиями физики изучали, как полярон чувствует себя на одном месте. Но что происходит, когда он начинает двигаться?

Когда электрический заряд движется с ускорением, он испускает электромагнитное излучение, то есть свет — это привычное явление в физике. Однако исследователи обнаружили, что при движении по специально подобранной траектории излучение приобретает необычные свойства.

Солнечный свет падает на вещество, и каждый фотон выбивает один электрон. Таков привычный порядок, из-за которого обычные батареи не могут превратить в электричество больше трети энергии — остальное рассеивается теплом. Но есть процесс, похожий на игру в бильярд, где один шар раскалывает сразу два: умножение носителей (carrier multiplication).

Кристалл теллура напоминает крошечную винтовую лестницу: атомы в нём закручены в спираль. Когда через такой кристалл бежит тепло, его переносят не электроны, а звуковые волны — колебания самой решётки. Эти волны не просто толкаются вперёд-назад, но ещё и вращаются вокруг своей оси, как запущенный волчок.

В оркестре атомов у каждого инструмента своя партитура. Но иногда два музыканта начинают играть в унисон — и звук усиливается во много раз. В квантовом мире такое «созвучие» называют резонансом Фешбаха. Оно позволяет управлять атомными взаимодействиями с ювелирной точностью. Резонанс Фешбаха — это не совпадение нот, а совпадение энергий.

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.

Горячая ложка в чашке с чаем — тепло бежит по металлу от горячего конца к холодному. В учебниках этот процесс описывают как дрожание атомов, передающих толчки друг другу. Но атомы не просто дрожат — они ещё и поворачиваются, как крошечные волчки. До сих пор у физиков не было единого языка, чтобы описать оба движения разом. Авторы работы построили такой язык.

Атомное ядро — не бильярдный шар, а скорее туманное облако, которое постоянно меняет очертания. Протоны и нейтроны внутри него находятся в непрерывном движении, и ядро может принимать самые разные формы: быть вытянутым, сплюснутым или похожим на грушу.

Два музыканта в разных комнатах играют одну ноту. Звук должен быть настолько одинаковым, чтобы слушатель не смог определить, кто играет. В квантовом мире роль таких музыкантов исполняют источники одиночных фотонов — частиц света, которые должны быть неотличимы друг от друга. Без этого не построить ни квантовый компьютер, ни защищённую сеть связи.

Литий-ионная батарея похожа на многоэтажный дом, где на каждом этаже живут ионы лития. Когда батарею заряжают, ионы переезжают с этажа на этаж, и весь дом немного нагревается. Обычно это тепло уходит равномерно, как от тёплого пола. Но иногда в одном месте становится слишком жарко — и тогда весь дом может вспыхнуть.

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.

Солнечный ветер — не ровный поток, а скорее порывистый. Внутри него протоны и ядра гелия летят не с одной скоростью, а с разбросом, как капли в струе из шланга. Обычно этот разброс описывают простой колоколообразной кривой.

Если положить каон в электрическое поле, он слегка растянется, как воздушный шарик, который потёрли о шерсть. Этот отклик — электрическая поляризуемость — показывает, насколько жёстко устроена частица внутри. Для заряженного каона её измерили впервые, и число получилось таким: около одной десятитысячной доли объёма, занимаемого протоном.

Обычный почтовый конверт имеет прямоугольную форму, и письмо внутри неё не меняет свойств конверта. С фотонами — частицами света — ситуация иная: их «форма» во времени может быть разной, и эта форма сама по себе несёт информацию.

В сверхтекучем гелии вихрь похож на смерч в бутылке, но вместо воды — квантовая жидкость, которая течёт без трения. Такой вихрь не рассеивается сам по себе, поэтому вопрос, куда девается его энергия, долго оставался открытым. Теперь физики впервые увидели ответ: вихрь испускает квант звука — ротон.

Лист графена толщиной в один атом подвешен в воздухе, как натянутая простыня. По нему бегут волны тепла — колебания атомов, которые физики называют фононами. Раньше считалось, что эти волны быстро рассеиваются из-за сильного взаимодействия, и тепло передаётся плохо. Но эксперименты показывали обратное: тепло идёт лучше, чем по старым расчётам.

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.

В кристалле-изоляторе тепло обычно распространяется от горячего конца к холодному. Но если включить магнитное поле, часть теплового потока заворачивает в сторону — как вода, которая, стекая с горки, слегка уходит вбок, когда её подталкивает ветер. Такое поведение называют тепловым эффектом Холла.

Магнитный материал внутри микроволновой печи — не самый очевидный герой научной работы. Но именно такая картина помогает понять, что сделали авторы: они поместили крошечную сферу из железо-иттриевого граната (YIG) внутрь резонатора — полости, где микроволновые фотоны мечутся между стенок, как свет в зеркальной комнате.

Кран, из которого вода течёт не струёй, а строго по одной капле, — так можно описать источник одиночных фотонов, о котором рассказывают авторы. В обычном свете фотоны летят толпой, как вода из открытого крана. А для квантовых технологий нужны одиночные фотоны — «капли» света, которые можно использовать как кубиты или как курьеров для защищённой связи.