квантовый эффект Холла

Электроны в сверхчистой плёнке арсенида галлия ведут себя как толпа на перекрёстке, где дорогу задаёт наклон магнитного поля. При нулевом наклоне они образуют сжимаемую жидкость композитных фермионов — частиц, состоящих из электрона и пары вихрей.

Тонкий слой арсенида индия спрятан под сверхпроводящей плёнкой, как голос под шумом толпы. Ток в таком гибриде выбирает путь наименьшего сопротивления и почти весь течёт по металлу, поэтому полупроводник остаётся неслышным для обычных приборов.

Тончайшая плёнка из атомов теллура, тантала и иридия — монослой 1T-TaIrTe₄ — ведёт себя как изолятор внутри, но проводит ток по краям. Это свойство, известное как квантовый спиновый эффект Холла, обещает электронику без потерь: электроны на краях движутся без рассеяния, как по идеальной магистрали.

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

Когда лазерный импульс попадает в атом, он вырывает электрон. В классической картине свет — это гладкая электромагнитная волна, и чем выше её интенсивность, тем сильнее ускоряется электрон.

Когда лазерный импульс попадает в атом, он вырывает электрон. В классической картине свет — это гладкая электромагнитная волна, и чем выше её интенсивность, тем сильнее ускоряется электрон.

Бросьте два камешка в воду на некотором расстоянии друг от друга. Волны от них побегут навстречу и в некоторых местах погасят друг друга — вода станет гладкой, хотя каждый камень по отдельности создал бы рябь. Похожим образом ведёт себя пара фотонов — квантов света, рождённых в одном кристалле и разлетевшихся в разные стороны. Только вместо волн на воде здесь интерферируют их волновые функции.

Возьмём два тонких листа полупроводника. Один пропитан свободными электронами — как переполненное кафе, где каждый столик занят. Второй, наоборот, полон пустых мест — «дырок», которые жаждут заполниться. Когда эти листы сближают, между ними проскакивает искра притяжения: электроны и дырки начинают ощущать друг друга через тонкий зазор.

Возьмём два тонких листа полупроводника. Один пропитан свободными электронами — как переполненное кафе, где каждый столик занят. Второй, наоборот, полон пустых мест — «дырок», которые жаждут заполниться. Когда эти листы сближают, между ними проскакивает искра притяжения: электроны и дырки начинают ощущать друг друга через тонкий зазор.

Тонкая серебряная струна длиной почти с толщину человеческого волоса — и в ней проявляются чистые квантовые законы. Физики создали проводник, в котором электроны могут двигаться только вперёд или назад, словно по идеально прямой одноколейной дороге без обочин.

При низких температурах многие материалы становятся сверхпроводниками — электрический ток течёт без сопротивления. Но как возникает это состояние, если электроны сначала были заперты в изоляторе? Полвека назад Филип Андерсон предположил, что ответ кроется в особом квантовом танце частиц.

Бледно-зелёный кристалл поместили в магнитное поле и охладили ниже одного кельвина — почти до абсолютного нуля. Внутри него прячутся цепочки атомов меди, которые ведут себя как крошечные магнитные стрелки. Обычно их ориентация хаотична, но сильное поле и холод заставляют стрелки выстроиться в едином порыве — словно солдаты на плацу.

Лист бумаги с магнитными свойствами — примерно так устроен новый материал 1T-CrS₂. Его слои скреплены слабыми силами, как страницы блокнота, но каждый слой — настоящий магнит. Причём магнит жёсткий: он сохраняет намагниченность поперёк слоёв и не теряет её даже при нагреве выше комнатной температуры. Вырастить такие кристаллы долго не удавалось.

Квантовый мир устроен хитро: иногда частицы, запертые в плоском слое и пронизанные сильным магнитным полем, начинают вести себя как жидкость, состоящая не из целых электронов, а из их долей — дробных зарядов. Это дробный квантовый эффект Холла.

Чёрная дыра, сидящая на тонкой вселенской мембране (бране), напоминает тяжёлый шар, натянувший эластичную плёнку. В классической физике она лысая — только масса, заряд и вращение. Но стоит добавить скалярное поле (невидимую субстанцию вроде температуры) — и дыра может самопроизвольно обрасти «мехом» из этого поля. Это и есть спонтанная скаляризация.

Пустое пространство не так пусто, как кажется. Согласно квантовой теории, вакуум наполнен непрерывно рождающимися и исчезающими частицами. В 1976 году физик Билл Унру показал: если наблюдатель движется с ускорением, этот «квантовый бульон» превращается для него в настоящую тёплую ванну — эффект Унру.

Электроны в твёрдом теле обычно либо свободно бегают (металл), либо заперты на месте (изолятор). Но иногда сильное взаимное отталкивание запирает их в половинчатом состоянии: заряды стоят, а спины — маленькие магнитные стрелки — продолжают жить своей жизнью. Это называют моттовским изолятором.

Тонкий бутерброд из двух разных материалов. Через него пропускают электрический ток — и верхний кусочек намагничивается в одну сторону, а нижний в противоположную. Это не фокус, а слоевой эффект Эдельштейна (от английского layer Edelstein effect), который только что описали физики.

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.

Сверхтекучесть — состояние, в котором материя течёт без трения, — долго оставалась неуловимой в нейтральных бозе-конденсатах экситонов. В отличие от сверхпроводников, где магнитное поле вытесняется эффектом Мейсснера, здесь знаком стал сам голос квантовой жидкости — скорость звука.

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.

Сверхпроводимость часто представляют как застывший танец электронов: они объединяются в пары и движутся без сопротивления, словно фигуристы на идеальном льду. Но в высокотемпературных сверхпроводниках этот лёд оказывается не таким уж гладким.

Почти сорок лет высокотемпературная сверхпроводимость в купратах остаётся одной из глубочайших загадок физики конденсированного состояния. В обычных металлах электроны спариваются в куперовские пары благодаря колебаниям решётки, но здесь изотопический эффект крайне слаб.

Квантовое туннелирование — способность частиц проходить сквозь барьеры, запрещённые классической физикой, — питает звёзды термоядерным синтезом, зажигает первичный нуклеосинтез и дарит нам флеш-память.

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.

Иногда кристалл ведёт себя как переводчик, который отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. В металле ScV₆Sn₆ атомы выстроены в узор кагоме (плетёнка из шестиугольников и треугольников), и при охлаждении в нём возникает волна зарядовой плотности — периодическая деформация электронного облака.

В кипящей воде можно увидеть прообраз квантового фокуса: если часть жидкости превратить в долгоживущие пузыри пара, основная масса остынет. Именно это происходит при резком ударе по системе взаимодействующих электронов: вспыхивают дублоны — связанные пары частиц, которые вбирают в себя лишнюю энергию и не распадаются поразительно долго.

В длинном коридоре толпа людей старается держаться подальше друг от друга. В просторном зале они бы просто разошлись, но здесь стены сжимают так, что приходится двигаться гуськом, согласовывая каждый шаг. Похожим образом ведут себя электроны в слоях графена, повёрнутых один относительно другого на крошечный угол.

Бросили горсть фосфора в кремний — и при некоторой концентрации примеси материал вдруг начинает проводить ток. Это фазовый переход металл-изолятор, и он происходит скачком. Но что именно меняется в волновых функциях электронов, когда изолятор становится металлом? Ответ можно вытащить из того, как вещество поглощает свет.

Обычно сверхпроводимость — это история про холод. Чем ниже температура, тем легче электронам объединиться в пары и течь без сопротивления. Но в новой работе физики вырастили тонкие плёнки никелатов с добавкой европия и увидели обратную картину.

Сверхпроводник похож на идеальное шоссе без светофоров: электроны мчатся без помех. Но стоит подать напряжение, и картина меняется. В новом эксперименте физики обнаружили, что электрическое поле проникает в сверхпроводник и создаёт внутри смешанный режим.

Облачко атомов рубидия попадает в ловушку из света. Лазеры и магнитные поля выстраивают её наподобие кристаллической решётки, только ячейки здесь не доли миллиметра, а доли микрометра. Сами атомы охлаждены почти до абсолютного нуля: тепловое дрожание замирает, и они начинают вести себя не как россыпь шариков, а как единая квантовая жидкость.

Мыльный пузырь висит в воздухе, и его форма уже содержит всё, что нужно для расчёта внутреннего натяжения. Похожий принцип сработал в новой работе по квантовой гравитации. Физики взяли замкнутую поверхность — аналог такого пузыря — и задали на ней несколько чисел: например, силу электрического поля и кривизну.

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.

В водопроводной системе вода порой течёт не сплошным потоком, а отдельными одинаковыми порциями — будто кран открывается и закрывается, пропуская каждый раз строго одну каплю. Примерно так ведёт себя электрический ток в сверхпроводящих контактах, называемых джозефсоновскими переходами.

Два тонких слоя полупроводника повернули друг относительно друга на 2,29 градуса — как два листа прозрачной бумаги с нарисованными сетками. Там, где линии почти совпадают, возникает крупный узор из тёмных и светлых пятен. Электроны в этом узоре ведут себя совсем не так, как в обычном кристалле.

Мост из двух рядов досок прогибается под ногами пешеходов — и каждый шаг получает помощь от упругого движения настила. Похожий принцип лежит в основе сверхпроводимости: электроны скользят без сопротивления, потому что атомная решётка сама подстраивается под них. В материалах на основе никеля эта картина долго не складывалась.

Электрический ток в проводе похож на толпу людей, спешащих по коридору. Обычно каждый сталкивается со стенами и теряет скорость почти мгновенно — это и есть электрическое сопротивление. Но в некоторых материалах, как в здании с боковыми залами, носители заряда могут надолго заходить в особые «карманы» (энергетические долины) или подолгу сохранять энергию после толчка.

Солнечный свет падает на кремниевую пластину — и в цепи возникает ток. Это привычная работа фотоэлемента: свет выбивает электроны, а p-n переход (граница двух слоёв с разной проводимостью) заставляет их двигаться в одном направлении. Но в некоторых кристаллах ток рождается иначе — без всяких переходов, просто за счёт того, как сам материал устроен внутри. Среди таких откликов выделяют два.

Если бросить горсть монет на стол, они лягут как попало. Но в некоторых кристаллах атомы выстраиваются в узор, напоминающий плетёную корзину — решётку кагоме. В металле MgMn₆Sn₆ такую решётку образуют атомы марганца, и при комнатной температуре они действуют как крошечные магнитные стрелки. Только смотрят эти стрелки не строго в одну сторону, а слегка расходятся веером в плоскости слоя.