магнетизм фононов

Оркестр без дирижёра: каждый музыкант настраивается по соседу, и так рождается слаженная мелодия. В мире микроскопических магнитов роль такого оркестра играет крошечный шар из неодима, парящий над сверхпроводящей плёнкой. Его колебания, если их правильно возбудить, складываются в стройный спектр из десятков равноотстоящих частот — как зубцы гребёнки.

Оркестр без дирижёра может звучать слаженно, если музыканты чувствуют общий ритм. В мире твёрдых тел роль такого ритма играют фононы: кванты колебаний кристаллической решётки. Когда атомы в подложке начинают двигаться по кругу, они способны передать своё вращение магнитному слою, лежащему сверху, и перевернуть его намагниченность.

Оркестр без дирижёра может звучать слаженно, если музыканты чувствуют общий ритм. В мире твёрдых тел роль такого ритма играют фононы: кванты колебаний кристаллической решётки. Когда атомы в подложке начинают двигаться по кругу, они способны передать своё вращение магнитному слою, лежащему сверху, и перевернуть его намагниченность.

По узкой дороге навстречу друг другу идут два каравана. Один — широкий и медленный, везёт груз плотности. Другой — вереница лёгких повозок с током, проскальзывает между первыми. Так в разряде магнетрона сосуществуют две структуры, вращающиеся в противоположные стороны: спица плотности и нити тока.

В тонкой плёнке из кобальта и железа, нанесённой на кремниевую подложку, формируется крошечный магнитный вихрь — скирмионоподобная структура, называемая магнитной каплей. Он не разлетается, а удерживается на месте, подобно капле масла на горячей сковороде, где роль жара играет электрический ток, пропущенный через узкий перешеек шириной порядка сотни атомов.

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.

Магнитный каркас кристалла EuMnSb2 напоминает строительные леса: марганцевые атомы образуют жёсткие вертикальные стойки, а европиевые — подвижные перекладины. До сих пор не было единого мнения, под каким углом наклонены эти перекладины в покое и как они поворачиваются, когда на леса давит магнитное поле. Обычные методы не давали точного ответа: атомы европия жадно поглощают нейтроны, и сигнал тонет в шуме.

На Солнце существуют спокойные области, где магнитное поле настолько слабое, что его почти невозможно зарегистрировать. Однако даже там акустические волны — колебания плазмы, подобные звуковым волнам в воздухе, — находят каналы для подъёма в верхние слои атмосферы.

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.

Скирмион — это магнитный вихрь, напоминающий миниатюрный водоворот в море, где вместо воды закручена намагниченность материала. Эти структуры рассматриваются как перспективные ячейки памяти в компьютерах будущего, но для записи и чтения информации необходимо уметь перемещать каждый вихрь по отдельности.

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.

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.

Кристалл Mn₂Mo₃O₈ можно представить как упорядоченный наномир, где атомы марганца образуют решётку, а их магнитные моменты — микроскопические «стрелки» — чередуются: вверх-вниз-вверх-вниз. Такое состояние называется коллинеарным альтермагнетизмом: суммарная намагниченность равна нулю, но симметрия кристалла нарушена.

Магнитное зеркало — это открытая с обоих концов труба, в которой магнитное поле устроено так, чтобы удерживать горячую плазму — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц. На концах поле сгущается, образуя «пробки»: частицы, летящие к выходу, отражаются от этих областей и возвращаются обратно.

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.

Камертон, по которому ударили, звучит чисто и долго. Но если во время звучания слегка трясти саму вилку — звук начнёт дрожать и быстро затихнет. Примерно то же самое происходит с электронами в любом куске вещества. Атомы в решётке никогда не стоят на месте: тепловые колебания заставляют их непрерывно подрагивать.

В 1956 году два радиотелескопа в Джодрелл-Бэнк уставились на Сириус, ловя не изображение, а дрожание интенсивности. Эксперимент Ханбери Брауна и Твисса (HBT) открыл удивительную вещь: корреляции приходящих фотонов способны рассказать о статистике источника — хаотичен ли он, как тепловая лампа, или когерентен, как лазер.

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.

Вспышка длится тысячную долю секунды, но за это мгновение выбрасывает столько энергии, сколько Солнце излучает за день. Такие сигналы — быстрые радиовсплески — ловят телескопы с 2007 года, а их источник остаётся загадкой. Новая работа предлагает элегантный ответ: всё дело в космическом усилителе.

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.

В кристалле, который столетиями называли «золотом дураков», физики разглядели подлинное сокровище. Соединение MnTe2 с пиритной структурой стало сценой для квантового балета: спиновые волны здесь закручиваются в лево- и правосторонние вихри, причём направление закрутки намертво связано с импульсом.

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.

Внутри кристалла разворачивается незримый балет: магнитные моменты атомов, словно танцоры, то выстраиваются в унисон, то рассыпаются в противофазе. Хореографию диктует квантовый обмен — музыка, чуткая к геометрии связей. Согласно правилам Гуденафа–Канамори–Андерсона, угол M–X–M между магнитным ионом, лигандом и соседним магнитным ионом определяет, смотрят ли спины в одну сторону или врассыпную.

Свет от далёкого блазара (активного ядра галактики, бьющего струёй в нашу сторону) идёт к нам миллиарды лет. В пути он порождает ливни заряженных частиц, которые межгалактическое магнитное поле отклоняет в стороны. Так вокруг блазара на небе возникает размытое гамма-свечение — вторичный ореол. Чем слабее поле, тем шире ореол.

В некоторых кристаллах магнитные моменты атомов — их микроскопические «стрелки» намагниченности — колеблются согласованно, подобно волне, бегущей по трибунам стадиона. Эта спиновая волна переносит спин без перемещения электрических зарядов, а значит, почти не нагревает материал. Такое течение напоминает невидимую реку — бесшумное и холодное.

Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник. Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект.

Попытка пересчитать людей в тёмной комнате по звуку дыхания упирается в общий шум — отдельных вдохов не слышно. Похожая задача стоит перед учёными, которые работают с квантовыми спинами в твёрдых телах. Каждый спин (магнитный момент электрона) обладает своим «голосом», но его заглушает технический шум приборов.

Мёртвая звезда с магнитным полем в миллиарды раз сильнее земного — это магнитар. Её кора трескается, и в пространство уходит мощный рентгеновский всплеск. Но часть этого света не долетает до нас в привычном виде. В сверхсильном поле фотоны могут превратиться в гравитационные волны — дрожь самого пространства.

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.

Два магнита на столе либо притягиваются, либо отталкиваются — смотря как повёрнуты их полюса. Внутри каждого кусочка прячутся крошечные области, где все магнитные стрелки смотрят в одну сторону. Эти области называют доменами, и от их расположения зависит, как материал поведёт себя в электрической цепи. У альтермагнетиков — нового класса веществ — домены устроены хитрее.

Гигантский барабан только что принял удар. Его мембрана ещё дрожит, но помимо основного гула по ней расходится мелкая рябь — кто-то провёл пальцем по натянутой коже. Примерно так же пространство-время в первые мгновения после Большого взрыва колебалось не только от «грохота» расширения, но и от натяжения внезапно возникших магнитных полей.

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.

Кристалл La3Ni2O7 похож на слоёный пирог, где начинка из атомов никеля и кислорода чередуется с прослойками лантана. При обычном давлении он не проводит ток без сопротивления, но стоит его сжать или вырастить в виде тонкой плёнки — появляется высокотемпературная сверхпроводимость.

В куске обычного магнетика все электронные спины — крошечные магнитные стрелки — смотрят в одну сторону. Это строй солдат, повёрнутых лицом к командиру. Такой порядок называют коллинеарным альтермагнетиком.

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.

Огромное тёмное облако газа раскинулось по молодой Вселенной. Внутри него, словно невидимые пальцы, пронизывают магнитные силовые линии, оставшиеся от самого рождения мира. Эти поля действуют на заряженные частицы, подталкивая их друг к другу — как лёгкий ветер, сгоняющий опавшие листья в кучки.

В обычном кристалле атомы стоят ровными рядами, как солдаты на плацу. Любое отклонение от этого строя принято считать вредным: беспорядок рассеивает волны и быстро гасит коллективные движения частиц. Но в некоторых материалах специально смешивают разные атомы, чтобы получить так называемую высокоэнтропийную структуру — этакий винегрет, где каждый сорт атомов занимает случайное место.

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.

Кусок магнетита — обычного железного камня — ведёт себя странно. При комнатной температуре он проводит электричество, но стоит охладить его ниже минус 150 градусов, как сопротивление резко подскакивает. Этот скачок, открытый ещё в 1939 году, физики не могли объяснить почти век. Новая работа предлагает разгадку.