квантовый перенос тепла

В ультрахолодной камере сталкиваются два облака атомов: несколько десятков атомов цезия, играющих роль рабочего тела, и тысячи атомов рубидия — резервуара тепла. Каждое столкновение — микроскопический теплообмен, который можно сравнить с настройкой музыкального инструмента: температура резервуара задаёт темп, с которым атомы обмениваются энергией.

Графен — двумерный кристалл углерода толщиной в один атом — способен менять свои магнитные свойства подобно тому, как вода меняет агрегатное состояние: то течёт жидкостью, то застывает льдом.

Чёрная дыра Керра-NUT — это не просто космический объект, затягивающий материю, а точное решение уравнений Эйнштейна, описывающее пространство-время с массой, вращением и дополнительным параметром NUT.

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.

Спинтроника сулит передавать информацию не зарядом, а спином, избавляя микроэлектронику от главного врага — джоулева нагрева.

Старый вопрос о демоне Максвелла — может ли разумное существо обойти второе начало термодинамики и перекачать тепло от холодного к горячему — получает новое звучание в квантовом мире. Здесь частицы действуют не как одинокие голоса, а как слаженный хор, где каждый исполнитель усиливает других благодаря квантовой когерентности.

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.

В кастрюле кипит вода: пузыри бурлят, тепло быстро уходит в воздух. В центре термоядерного реактора ARC плазма ведёт себя похоже — только вместо пузырей там турбулентные вихри, а вместо воздуха — магнитное поле, которое должно удерживать жар. Вихри мешают: они переносят тепло наружу и охлаждают плазму. Но внутри плазмы рождаются быстрые альфа-частицы (ядра гелия, вылетающие из реакции синтеза).

Кастрюля с супом, забытая на плите, остывает до комнатной температуры. Кажется, что всё пришло к покою. Но если заглянуть внутрь с квантовой лупой, окажется, что молекулы воды не замерли — они продолжают свой танец. Просто теперь этот танец стал равномерным, а не бурным, как при кипении.

В знакомых нам металлах вроде меди электроны движутся почти независимо — как автомобили на свободной трассе. Сопротивление возникает из-за редких столкновений, и его можно описать простыми формулами.

В кастрюле с кипящим супом бурлящие потоки выносят тепло к стенкам, и суп остывает. В токамаке — огромной магнитной бутылке для плазмы — происходит то же самое: вихри турбулентности уносят энергию наружу, мешая зажечь термоядерную реакцию. Но иногда плазма словно сама находит способ успокоиться.

Среди магнитов есть тихие мастера перевоплощений. Обычный магнит притягивает скрепки и имеет два полюса — север и юг. А есть материалы, которые внутри устроены как магнитная шахматная доска: их атомы выстроены в строгом порядке, но снаружи материал ведёт себя нейтрально, как будто магнита нет вовсе. Такие вещества называют альтермагнетиками.

В тонком канале полупроводника электроны ведут себя не как одиночки, а как толпа в час пик. Они то и дело сталкиваются друг с другом, и от этих столкновений зависит, насколько легко тепло и электрический ток проходят через материал. Обычно эти два потока идут рука об руку: хороший проводник электричества так же хорошо проводит тепло.

Свет и атомы, как танцоры, могут двигаться в унисон или вразнобой. Когда их взаимодействие анизотропно — то есть зависит от направления, — танец усложняется. В новой работе физики рассмотрели модель, где множество атомов (кубитов) коллективно взаимодействуют с анизотропным полем света, и каждый компонент подключен к тепловому резервуару.

Горячая плазма в токамаке похожа на капризного зверя: её нужно удержать, но при этом не дать перегреться. В реакторе ASDEX Upgrade нашли режим, где вихри плазмы сами решают эту задачу. Численное моделирование показало, что колебания на границе плазмы выбрасывают наружу сгустки — как пузыри из кипящей кастрюли.

Крошечное облако из 300 тысяч атомов иттербия, охлаждённое почти до абсолютного нуля, прокатили на световой дорожке длиной 34 сантиметра — как будто перевезли хрупкий груз по ухабистой дороге, не растряся.

Слой электронов, запертый между двумя пластинами полупроводника, при низкой температуре выстраивается в аккуратную решётку — как бусины на нитке, натянутой между пальцами. Стоит температуре подняться, и порядок рушится: кристалл плавится. Но как именно он тает, долго оставалось загадкой.

Крошечные частицы, похожие на цветы, умеют делать сразу два дела: греться и сообщать, насколько они горячие. Это не фантастика, а результат работы с наночастицами из феррита кобальта — магнитного материала, который реагирует на магнитное поле. Обычно для нагрева и измерения температуры нужны разные инструменты, но здесь всё совмещено в одной частице. Как это работает?

В морозильной камере обычная вода превращается в лёд, но в живых клетках такой лёд — катастрофа: острые кристаллы разрывают мембраны, как иглы воздушный шарик. Учёные, которые сохраняют клетки для медицины, научились избегать этой беды, но каждый метод говорит на своём языке. В новой работе предложен общий словарь — термодинамика.

Любая машина, будь то автомобильный мотор или крошечный нанохолодильник, работает с дрожью. Топливо сгорает неравномерно, электроны проскакивают через контакты не по расписанию — и стрелка мощности на приборах мелко вибрирует. Эти вибрации называют флуктуациями. Они не просто шум: по ним можно судить, насколько стабильно устройство и сколько энергии оно тратит впустую.

Если пустить ток по проводу, провод нагреется. Это знает каждый, кто хоть раз трогал зарядку от телефона. Физики называют такое нагревание джоулевым — в честь Джеймса Джоуля, который в середине XIX века измерил, сколько тепла выделяет электричество. С тех пор формула проста: чем больше сопротивление и сила тока, тем горячее провод.

Кубики льда в стакане тают, и вода перемешивается сама собой. Так ведут себя многие квантовые системы: частицы обмениваются энергией, и через какое-то время порядок исчезает. Но если в стакан добавить ложку мёда, перемешивание замедлится, а при сильном холоде вода застынет в стекло — без кристаллической решётки, но и без текучести.

Вода в стакане остывает, лёд тает, а чайник нагревает плиту — так устроен мир: тепло всегда бежит от горячего к холодному. Это второе начало термодинамики, закон, который не нарушался ещё никогда. Но квантовый мир умеет удивлять: теперь физики заставили тепло течь в обратную сторону, не трогая сам закон, а используя хитрые свойства частиц.

Вода всегда течёт вниз, а тепло — от горячего к холодному. Так велит энтропия — мера неупорядоченности, стремящаяся к росту. Но квантовый мир находит лазейки. Физики заставили частицы света — фотоны — взаимодействовать с горячей и холодной средой в неопределённой последовательности. Представьте подброшенную монету, которая ещё не упала: она одновременно и орёл, и решка.

В криостате растворения, охлаждённом до 170 милликельвинов, рождается когерентное состояние микроволнового поля.

Волна накатывает на песок, оставляя узор из пены и ракушек. Через мгновение она отступает, но следы уже не те — песок сглажен, ракушки перевёрнуты. Нечто подобное происходит в квантовом мире, когда система из неравновесного состояния движется к равновесию.

Квантовая запутанность похожа на невидимую пружину между частицами — сожми одну, и другая дёрнется, где бы она ни была. В новой работе физики построили модель из четырёх спинов (маленьких магнитных стрелок) в цепочке, где крайние спины удерживаются местным магнитным полем.