силовая электроника

В некоторых кристаллах электроны не размазаны равномерно, а выстраиваются в строгую шахматную доску: на одной клетке электронов больше, на соседней меньше. Такой узор называют зарядовым порядком, и долгое время его считали чем-то застывшим, вроде рисунка на морозном стекле. Но недавно выяснилось, что этот узор можно перевернуть, как магнитный порядок переворачивают импульсом тока.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

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.

Выключатель щёлкает — свет загорается. Но представьте выключатель, который при одном и том же нажатии может и включить лампу, и оставить комнату тёмной. Он ещё и помнит, что делал в прошлый раз, а иногда словно подбрасывает монетку, решая, зажечь ли свет. Такое поведение обнаружили в кристалле чёрного фосфора — полупроводнике толщиной в несколько атомных слоёв.

Одиночный атом эрбия, закреплённый на серебряной подложке, хранит квантовую информацию в своём спине — собственном моменте импульса электрона, который можно представить как внутреннее вращение. До недавнего времени для переворота этого спина требовался магнитный импульс — грубый инструмент, который воздействует на соседние атомы и работает медленно.

Светоизлучающие материалы на основе органики похожи на оживлённый перекрёсток без светофора. Молекулы получают энергию, но вместо того чтобы честно отдать её светом, часто сворачивают в тупики: образуют тёмные пары (эксиплексы — короткоживущие комплексы без излучения) или сталкиваются друг с другом, теряя заряд.

Пьезоэлектрические кристаллы, закреплённые снаружи и внутри металлической стенки, образуют невидимый энергетический канал. Внешний кристалл, получив переменный электрический ток, начинает вибрировать — его механические колебания, словно рябь на воде, разбегаются по металлу во все стороны.

Океан выступает гигантским аккумулятором солнечной энергии, преобразуя её в кинетическую энергию волн. Устройства для извлечения этой энергии — волновые поплавки, или преобразователи, — превращают колебательное движение в электрический ток. Их производительность критически зависит от трёх параметров: геометрической формы, пространственного расположения и параметров настройки (например, демпфирования).

Книга открыта на середине. По корешку бежит ток, а страницы остаются холодными. Примерно так устроен двумерный топологический изолятор — материал, где электричество течёт только по краям, а внутренность неподвижна.

Твердый электролит — не просто кристаллическая решётка, а настоящий оживленный мегаполис для ионов. Каждый акт проводимости напоминает поездку через город: есть широкие магистрали с низким энергетическим барьером, глухие пробки в узких местах и коварные объезды, где ион может застрять.

Карусель с сиденьями двух типов: одни крутятся по часовой стрелке, другие — против. Если толкнуть сразу все, карусель дёрнется, но останется на месте. Так устроен кристалл вейлевского полуметалла: электроны в нём рождаются парами — «левый» и «правый», и их вклады в ток гасят друг друга, как два одинаковых мотора, включённых навстречу. Физики нашли способ толкать только один сорт сидений.

Ковёр лежит ровно, но если его толкнуть с краю, по нему побегут складки. В тонкой плёнке сульфида тантала (1T-TaS2) складки из электронов — волны заряда — застывают, как будто ковёр примёрз к полу. Чтобы сдвинуть их, нужно приложить усилие. Учёные нашли способ управлять этим усилием с помощью электрического поля и магнита.

Обычный ускоритель похож на конвейер, где электроны — это заготовки. Чтобы получить нужный рентгеновский импульс, заготовку долго подгоняют уже после запуска: сжимают, фильтруют, корректируют. В новой работе инженеры решили действовать иначе — придавать форму заготовке ещё до того, как она попадёт на конвейер. В установке LCLS-II электроны выбиваются из металла коротким лазерным импульсом.

Силовой транзистор на карбиде кремния работает под напряжением, которое в тысячи раз выше розеточного. Если внутри него поле распределится неравномерно, прибор сгорит. Раньше увидеть это поле не могли: оно слишком сильное для обычных датчиков, а прибор при этом должен оставаться под напряжением.

Когда два разных материала прижимают друг к другу, а потом разводят, между ними проскакивает искра. Это знакомо каждому, кто снимал шерстяной свитер в темноте или получал удар током от дверной ручки. Долгое время считалось, что заряды просто перескакивают с одной поверхности на другую из-за различий в свойствах материалов. Но недавние опыты показали: всё сложнее.

Обычная компьютерная память постоянно тратит энергию, чтобы хранить единицы и нули. А сверхпроводники проводят ток вообще без потерь — если бы из них собрать память, она почти не потребляла бы электричества. Проблема в том, что сверхпроводники не умеют запоминать: их состояние слишком легко меняется. Кристалл уран-дителлурида оказался исключением.

Свет, проходя сквозь тонкий кристалл, может поменять цвет и направление колебаний. В пластинке дисульфида молибдена толщиной в сотни атомов инфракрасный луч превращается в зелёный, а его поляризация — то, как колеблется световая волна — подчиняется геометрии кристалла.

Когда в полупроводник попадает свет, он может выбить электрон, оставив после себя дырку. Электрон и дырка притягиваются и образуют пару — экситон. Эта пара может снова испустить свет, но не сразу: сначала она обменивается энергией с колебаниями кристаллической решётки — фононами. Такие процессы оставляют след в спектре в виде боковых полос.

Кремний — как универсальный строительный блок: из него делают чипы в телефонах, солнечные панели и лазеры. Но если сжать его с огромной силой, атомы перестраиваются в новые узоры — такие формы называют аллотропами. Один из них, Si-XIII, впервые заметили больше двадцати лет назад, но его точный узор оставался загадкой.

Обычная солнечная батарея делает одно дело: светит солнце — течёт ток. А здесь светит солнце, и ток течёт по-разному в зависимости от того, с какой стороны поднести магнит. Слой из молекул фуллерена (похожих на футбольный мяч) работает как посредник: он рождает носители заряда под светом и пропускает через себя электроны с заданным направлением вращения — как будто сортирует их по кручению.

Старую футболку растворили в щёлочи, получили гель — и он стал сердцем накопителя энергии. Второй компонент сделали из хитозана, вещества из панцирей креветок. Никаких металлов: только переработанный хлопок и морепродукты. Гель пропитали солью аммония, и его проводимость выросла почти вдвое: с 17,1 до 37,8 миллисименс на сантиметр.

В океане иногда возникает огромная одиночная волна, которая вырастает из ниоткуда и исчезает. Такие волны-убийцы редки, но опасны. Похожие редкие и сильные всплески бывают и в других системах — от финансовых рынков до лазеров. Проблема в том, что их трудно предсказать и тем более вызвать по заказу.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество без потерь, но обычно их свойства фиксированы. В новой работе учёные сделали устройство, похожее на перекрёсток двух сверхпроводящих дорожек. Подавая слабое магнитное поле перпендикулярно этому перекрёстку, они смогли изменить силу тока, который устройство может пропустить, в четыре раза.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый кубит — музыкант, а управляющие сигналы — дирижёр. Если дирижёр машет палочкой неточно, музыканты сбиваются. В реальном устройстве сигналы проходят через усилители мощности — как через громкоговорители, которые добавляют шум и искажения.

Обычная компьютерная память всё время тратит энергию, чтобы не забыть записанное. Сверхпроводник мог бы хранить данные без потерь, но его трудно заставить переключаться. В новой работе сверхпроводник зажат между двумя магнитными изоляторами. Магнитные слои действуют как два магнита: если их полюса смотрят в одну сторону, сверхпроводимость включена; если в разные — выключена.

Лазер на кристалле ниобата лития оживает от тока в 40 миллиампер. Его свет делится на два ручейка, каждый проходит через шестимиллиметровый волновод, и там рождаются пары фотонов-близнецов. Один ручеёк поворачивает поляризацию своих близнецов, после чего оба потока сливаются в общее русло. На выходе — квантовая фабрика на ладони: 45 миллиардов запутанных пар в секунду при мощности всего 18.