фононный кристалл

Волны на поверхности воды обычно разбиваются о любую преграду — камень, сваю, остров. Но что, если расставить препятствия так хитро, что волна их почти не заметит? В новой работе учёные собрали на воде узор из множества точек, расставленных по особым математическим правилам, и пустили по ним волны.

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.

Два прозрачных листа с нарисованными кругами. Если наложить их ровно, круги совпадут. Но стоит чуть повернуть один лист — и возникает новый узор: где-то круги сгущаются, где-то расходятся. Примерно так работает муар — неожиданный рисунок от поворота двух периодических структур. В этой работе учёные применили ту же идею к звуку, а точнее — к полю скоростей акустических частиц над перфорированной поверхностью.

Муаровые узоры — наглядный пример того, как наложение двух периодических структур с разным шагом создаёт новый, более крупный рисунок. Вспомните две расчёски с чуть отличающимся расстоянием между зубьями: сложенные вместе, они показывают тёмные разводы. Похожий эффект физики обнаружили во времени.

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.

Согнуть лист бумаги легко. А вот сжать его, толкая с краю, — совсем другое дело: бумага изомнётся, но почти не передаст усилие дальше. Так работает обычная упругость — деформация зависит от того, куда и как надавить. Новая трёхмерная решётка доводит этот контраст до предела.

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.

Представьте реку на перекате: поток ускоряется до того, что ни одна волна уже не пойдёт против течения. Так и газ у чёрной дыры: достигнув скорости звука, он запирает сам себя — рождается акустическая чёрная дыра, двойник гравитационной бездны. Здесь горизонт событий соткан из потока, быстрее собственного звука.

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.

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.

Маятник, который качается сам по себе, без всякого завода, — в квантовом мире такие «маятники» называют кристаллами времени. В них ритмичное движение возникает спонтанно и не затухает. Но до сих пор управлять этим ритмом было почти невозможно: любое вмешательство грозило разрушить хрупкий порядок.

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.

Длинный коридор с неровным полом: где-то бугры, где-то ямы. Если пустить по нему игрушечную машинку, она застрянет в самой глубокой яме, а не там, где её толкнули. Примерно так ведёт себя звук в фононном кристалле — материале, который состоит из периодически расположенных элементов и управляет распространением упругих волн.

Свет, чью электромагнитную природу впервые описал Максвелл, в разных средах ведёт себя по-разному. В новом исследовании учёные смоделировали двумерный кристалл, который одновременно поглощает свет и обладает магнитными свойствами.

Барабанщик отбивает ритм, и кожа барабана колеблется в такт. Если ударять достаточно часто, колебания накладываются, и в центре возникает почти неподвижная зона — узел. Похожий эффект возникает с микроволнами в материале, свойства которого меняются во времени. Когда изменения попадают в резонанс с волной, её движение замирает.

Если посветить на кристалл FePS3, он ответит собственным свечением — как неоновая вывеска, но гораздо слабее и в инфракрасном диапазоне. Свечение это не случайное: оно зависит от того, как повёрнут кристалл. Учёные взяли образцы от толстого куска до слоя в один атом и увидели четыре полосы света — при 1,24 электронвольта, 1,79, 2,3 и 2,56.

Обычный свет разбегается во все стороны, как вода из разбитого стакана. Но в некоторых кристаллах световые волны умеют сбиваться в узкие лучи и течь только в одном направлении — как вода в желобе. Физики изучили такой материал: слоистый оксид ванадия α-V2O5. В этом кристалле атомы колеблются по-разному вдоль и поперёк слоёв.

Турбулентный поток у стенки похож на толпу, где каждый толкается в свою сторону. Вихри возникают и распадаются, создавая хаотичные толчки. Если в стену встроить звуковую подложку с дефектом — как камертон, который звенит только на одной ноте, — она начинает откликаться лишь на узкий диапазон частот.

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.

Если толкать тепло через кусок кварца, оно обычно идёт прямо, как вода по трубе. Но стоит включить магнитное поле, и поток слегка сворачивает вбок — будто труба вдруг дала боковое ответвление. Такой эффект называют тепловым эффектом Холла, и до сих пор не было ясно, что именно заставляет тепло отклоняться: беспорядок в кристалле или что-то более фундаментальное.

В кристалле можно запустить звук такой высокой частоты, что человеческое ухо его не услышит, — и заставить этот звук бегать по кругу, как поезд по кольцевой дороге. Инженеры взяли тонкую плёнку нитрида кремния, нанесли её на подложку из ниобата лития и вырезали в ней дорожки для звуковых волн.

Луч лазера, закрученный в спираль, похож на воронку в раковине: свет движется не только вперёд, но и по кругу. Такие вихревые лучи уже помогают двигать крошечные частицы и передавать больше данных. Но стоит им пройти через неоднородную среду — и вихрь распадается, как вода из дырявого ведра. Фотоника — наука о свете в микрочипах — нашла способ удержать вихрь.

Лазерный луч бьёт по плёнке из золота и серебра всего несколько наносекунд — за это время свет успевает пройти расстояние меньше метра. В точке удара металл вскипает, разбрызгивается и застывает случайным узором из крошечных частиц. Каждый такой узор неповторим, как трещины на льду или ветви дерева.

Крошечный алмазный мостик вибрирует так сильно, что начинает «петь» сразу на многих частотах. Раньше такие колебания сами себя тормозили: чем сильнее раскачивался резонатор, тем труднее было добавить ему энергии. Физики нашли лазейку в этом правиле. Они использовали свет, чтобы раскачивать алмаз. Свет давит на мостик, и тот начинает дрожать.

Кристалл CeB6 похож на шкатулку с секретом: внутри него электроны могут занимать четыре почти одинаковых положения, как четыре кресла вокруг стола. Пока никто не смотрит, электрон словно сидит сразу на всех четырёх. Это скрытое состояние физики называют квадрупольным, и оно влияет на магнитные свойства, но увидеть его напрямую трудно.

Звук в твёрдом теле — это волны сжатия и растяжения, бегущие по атомам, как рябь по пружинному матрасу. Если расставить препятствия с нужным шагом, волны на определённых частотах не смогут пройти — отразятся назад. Такую периодическую структуру называют фононным кристаллом, и она работает для звука так же, как многослойное зеркало для света.

Облако атомов цезия заставили вести себя как единая квантовая струна. Осветив лазером и дав частицам провзаимодействовать, учёные запустили самоподдерживающиеся колебания — ритм возник без внешнего дирижёра. Это явление сродни тому, как натянутая струна музыкального инструмента начинает вибрировать, но на микроскопическом уровне.

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.

Если сжать пластинку с ячейками-гармошками, по ней побежит волна перегиба — как складка по ковру, когда его толкают ногой. Такие волны умеют переключать материал между двумя устойчивыми формами, и на этом строят механическую память. Но стоит на пути складки оказаться ножке стола, и она застревает. В новой работе показали, как сдвинуть её с места без грубой силы.

Короткий лазерный импульс бьёт по кристаллу — и тот отзывается не одним звуком, а целой лесенкой частот, отстоящих друг от друга на одинаковый интервал. Так рождается фононная частотная гребёнка — явление, которое физики исследуют в материале с необычным внутренним устройством.

Обычная резиновая прокладка глушит вибрацию, как толстое одеяло приглушает звук: чем толще и тяжелее, тем лучше. Инженеры давно мечтают о материале, который был бы лёгким, но при этом «съедал» колебания не хуже массивного демпфера. В новой работе такой материал удалось собрать из двух непохожих частей: мягкой эластичной решётки, напечатанной на 3D-принтере, и крошечных капель жидкого металла, спрятанных внутри неё.

Волны в магнитах похожи на колебания струны: если тронуть струну, она зазвучит на одной ноте, но при сильном воздействии появляются обертоны — звуки на кратных частотах. В магнонике роль струны играют спиновые волны, а роль обертонов — магнонные частотные гребёнки: серия линий, отстоящих друг от друга на одинаковый шаг, как зубья расчёски.

Кристалл без центра симметрии похож на лестницу, у которой все ступеньки наклонены в одну сторону: электроны, получив толчок от света, скатываются преимущественно в одном направлении. Так рождается постоянный ток — фотогальванический эффект.

Исследователи описали новый тип невидимой звезды, ведущей себя как дышащая гравитационная линза. Такая звезда состоит из сверхлёгких скалярных бозонов — гипотетических частиц, которые пока не обнаружены экспериментально.

В мире микрочипов, где потоки фотонов — квантов света — несут информацию, возникает фундаментальная проблема: свет, проходя через вещество, неизбежно нагревает его. Этот нагрев рождает тепловые флуктуации — хаотичные, непредсказуемые толчки атомов, которые сбивают точную работу устройства. Представьте себе обычный музыкальный инструмент: струну, натянутую на хлипкой, тонкой рамке.

Тридцать нанометров — дистанция, на которой спринтер-фонон ещё не успевает разогнаться. В тонких плёнках нитрида алюминия тепловое сопротивление остаётся почти неизменным до этой толщины: перенос тепла идёт в баллистическом режиме, где фононы (кванты колебаний кристаллической решётки) летят без столкновений.

Стальная пластина с решёткой 8×8 ячеек гасит упругие волны сразу в двух частотных коридорах. Это не случайная удача, а итог расчёта по новой схеме: сначала грубый шаблон под низкую частоту, затем тонкая доводка внутри свободных пикселей под высокую. Фононный материал — искусственная структура, которая управляет распространением упругих волн, как светофор управляет потоком машин.