квантовое магнитное зондирование

Представьте лестницу, перекладины которой — крошечные магнитики. Если соседние магнитики ориентированы противоположно (антипараллельно), лестница находится в «спокойном» состоянии. Но если заставить их выстроиться в одном направлении, вся конструкция намагнитится и станет «упрямой» — возникнет ферромагнитный порядок.

Радиоприёмник размером с ладонь способен измерить мощность сигнала точнее дорогих лабораторных стендов. Внутри нет катушек и антенн — только стеклянная головка и облачко атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы парят в перекрестье лазерных лучей, удерживаемые не магнитами, а силой света — как мошка в капле сиропа.

При обрушении здания стальная арматура превращается в хаотичную систему намагниченных элементов — своего рода магнитный компас, где стрелки указывают в разные стороны. Энтропия — физическая мера беспорядка — здесь растёт, но именно этот беспорядок становится ключом к обнаружению пустот, в которых могут находиться люди.

Точечный дефект в кристаллической решётке нитрида бора работает как миниатюрный оптический индикатор. При возбуждении светом он испускает свечение, цвет которого сдвигается в красную область с ростом температуры: это классическая термометрическая зависимость.

Обычные магнитные датчики теряют чувствительность при уменьшении размеров. Но учёные превратили крошечный алмаз в световой компас. В отличие от ювелирных алмазов, здесь ценны не чистота, а искусственно созданные дефекты — азотно-вакансионные центры (NV-центры), которые и превращают кристалл в компас.

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.

Магнитные частицы прикреплены к поверхности алмаза нитями ДНК, словно марионетки на верёвочках. Они непрерывно танцуют — колеблются под действием теплового движения молекул жидкости. Вязкость жидкости задаёт темп этого броуновского танца: в мёде, где вязкость высока, частицы едва дрожат, а в спирте, с его низкой вязкостью, — отплясывают быстро.

Магнитное поле Земли, которое поворачивает стрелку компаса, — сильное. Новый датчик ловит поля в сто тысяч раз слабее, и для этого ему не нужны ни жидкий гелий, ни громоздкие установки. Всё умещается на печатной плате — такой же, как внутри смартфона. Секрет — в паре из медного резонатора и кристалла железо-иттриевого граната.

Квантовый магнитометр на основе ядер водорода работает по принципу, напоминающему наушники с активным шумоподавлением. Он попеременно «слушает» магнитное поле двумя разными способами: шум для них одинаков, а полезный сигнал различен. Вычитая одно из другого, прибор выделяет сигнал, ослабляя помехи более чем в 1000 раз.

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.

В лабораториях, где атомы охлаждают почти до абсолютного нуля, даже крошечное изменение магнитного поля сбивает все настройки. Обычные датчики — пластинки Холла или катушки с ферритовым сердечником — стоят в нескольких сантиметрах от вакуумной камеры, потому что сами создают помехи. Но расстояние означает, что они не чувствуют поле именно там, где находятся атомы.

Магнит на холодильнике притягивает скрепку — это поле мы чувствуем руками. А теперь уменьшите это поле в миллиард раз. Такие слабые сигналы испускают атомы внутри нашего тела, и их очень трудно поймать. Учёные собрали датчик из особых молекул, которые сами ведут себя как крошечные магнитики.

Крошечный алмаз висит в воздухе, удерживаемый электрическим полем, как пылинка в луче света. Внутри него спрятаны дефекты — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустота. Эти дефекты ведут себя как магнитики, которые можно переворачивать лазером и микроволнами. Когда магнитики переворачиваются, они слегка толкают алмаз. Толчок крошечный — как если бы муравей дунул на футбольный мяч.

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.

Частица, пойманная в световую ловушку, ведёт себя как шарик на пружинке: толкни — и она закачается. Если резко сжать пружинку, шарик на мгновение замрёт в самой нижней точке, где его положение известно точнее всего. Именно этот миг использовали физики, чтобы превратить наночастицу в сверхчувствительный акселерометр.

Крошечный дефект в алмазе — так называемая NV-центр (азот-вакансионный центр, где атом азота соседствует с пустотой в углеродной решётке) — работает подобно микроскопическому уху, способному уловить магнитное «дыхание» сердца. Такие сенсоры функционируют при комнатной температуре и по размеру не превышают песчинку.

Магнитное поле, которое нужно измерить, похоже на мелодию, исполняемую в шумном зале. Квантовый датчик — это микрофон, способный уловить самые тихие ноты, но и он слышит не только музыку: шорохи, скрипы, дыхание соседей. Всё это примешивается к сигналу и портит запись.

В тёмной комнате крошечный алмаз светится красным, когда на него попадает зелёный лазер. Этот свет — не украшение, а сигнал: яркость меняется, если рядом есть магнитное поле. В алмазе сидят дефекты — атомы азота с пустой соседней ячейкой. Они как чувствительные стрелки, которые поворачиваются под действием магнита.

Игла туннельного микроскопа парит над поверхностью на расстоянии меньше диаметра атома. Обычно она ощупывает рельеф, как палец — страницу шрифта Брайля. Теперь та же игла научилась слушать, как дрожит мембрана размером с ноготь. В новом эксперименте игла микроскопа стала и смычком, и микрофоном.

В огромном спектрометре в Карлсруэ, похожем на гигантскую металлическую бочку, ловят частицы, которые почти невозможно поймать. Нейтрино — призраки микромира: каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы этих частиц, и вы этого не замечаете. Но у них есть масса, и учёные хотят её измерить. Для этого в KATRIN используют радиоактивный газ тритий.

Цепочка атомов, размещённая на светопроводящем чипе, ведёт себя подобно ряду маятников на общей перекладине: раскачиваясь в противоположных направлениях, они почти не передают энергию воздуху и замирают надолго.

В кристаллическую решётку алмаза можно внедрить миниатюрный сенсор. Если заменить один атом углерода на атом азота, а соседний узел решётки оставить пустым, образуется азотно-вакансионный центр — дефект, который обладает спиновыми состояниями, чувствительными к внешнему магнитному полю, и способен излучать свет в ответ на его изменения.

Две фундаментальные теории описывают реальность: общая теория относительности объясняет, как массивные тела вызывают искривление пространства-времени, а Стандартная модель управляет поведением элементарных частиц. Примирить их не удаётся — это похоже на попытку описать океанский шторм, используя язык кристаллической решётки алмаза.

Среди фундаментальных симметрий природы зеркальная чётность занимает особое место. Стандартная модель уже знает одно её нарушение — в слабом взаимодействии, но гипотетические дальнодействующие силы, не сохраняющие левое и правое, могли бы многое рассказать о тёмной материи.