квантовый магнетизм

Два танцора на одной сцене: один тянет партнёра в одну сторону, другой — в противоположную. В кристалле Cu2(OH)3Br, известном как боталлакит, атомы меди выстраиваются в цепочки, где спины (магнитные моменты) соседних ионов то выстраиваются параллельно, как в ферромагнетике, то антипараллельно, как в антиферромагнетике.

В мастерской природы есть странный станок: он нарезает резьбу на винтиках, но запрещает левую. Винтик можно закрутить как угодно сильно, в любую сторону по часовой стрелке, но против часовой — нельзя. Этот станок — не выдумка, а точное квантовое правило, которое физики только что построили для магнитных материалов.

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.

Крохотный намагниченный шарик парит в вакууме, удерживаемый невидимыми полями. Он начинает крутиться вокруг оси магнитного поля — совсем как юла, которую слегка подтолкнули. Это прецессия. Но когда шарик становится совсем маленьким, в игру вступают квантовые законы.

Паркет, где каждая вторая дощечка повёрнута в противоположную сторону, выглядит симметричным. Но если провести рукой, в одном направлении пальцы скользят по волокнам, а в другом — цепляются. Примерно так устроен новый тип магнетизма, который изучали в кристалле AgCrP2S6. В этом слоистом материале атомы хрома выстроены в длинные цепочки — как нитки бус.

Внутри планет и звёзд, во вращающихся океанах плазмы, сталкиваются турбулентные потоки, силы Кориолиса и магнитное натяжение. Главная интрига — как энергия этого хаоса кристаллизуется в устойчивый магнитный каркас, способный просуществовать миллиарды лет.

Сверхтекучая жидкость течёт без трения — как вода, которая никогда не останавливается. Но если её закрутить, она не просто вращается: каждый крошечный вихрь помнит, как именно его закрутили. Этот «след» — не метафора, а реальный геометрический отпечаток, который физики называют фазой Берри (набег фазы волны при движении по замкнутому пути).

В мире магнетизма долго царила простая дихотомия: ферромагнетики, где спины смотрят в одну сторону, и антиферромагнетики, где они выстраиваются в шахматном порядке, компенсируя друг друга. Но недавний «третий игрок» — альтермагнетики — заставил переписывать правила.

Сразу после Большого взрыва космос был горячей плазмой — смесью заряженных частиц и света. В такой среде электрические токи не могли течь сами по себе: нужна была «разность потенциалов», толкающая электроны относительно фотонов. Именно её ищут в теориях космологического магнитогенеза — рождения первых магнитных полей.

Обычный магнит похож на компас: его стрелка указывает на север. Но квантовый компас способен смотреть в оба направления разом. Если парящий в вакууме магнит осторожно раскрутить, его «волчки»-электроны синхронизируются так, что весь кусок металла начинает жить по законам микромира — замирает в суперпозиции, словно раздвоенный указатель.

Магнитное поле растёт — а намагниченность замирает на месте. Словно весы, на которых груз добавляют, а стрелка не двигается, пока не накопится достаточно, чтобы перескочить на следующую отметку. Именно так ведут себя кристаллы редкоземельных тетраборидов, и физики десятилетиями не могли понять, почему.

Горсть медных монет, рассыпанных по треугольной сетке, застывает в странном порядке, когда через них пропускают ток. Примерно так ведут себя крошечные магнитные стрелки — спины электронов — в кристалле с редким названием Y-капеллазит.

Жонглёр подбрасывает булавы, сидя на вращающемся стуле. Если он начнёт крутить булавы все в одну сторону, стул поедет в противоположную — иначе нарушится закон сохранения вращения. Примерно так устроен эффект Эйнштейна — де Хааза: в куске железа магнитное поле выстраивает микроскопические магнитики-спины, и весь кусок чуть поворачивается.

Горсть рисовых зёрен падает на горячую сковороду — и они запрыгали. Каждое зерно толкает соседей, вся куча шевелится без внешней руки. Это и есть активная материя: множество частиц, которые сами черпают энергию и превращают её в движение. До сих пор физики изучали такой «танец» по законам Ньютона, не вспоминая о квантовой механике.

Маленький шарик с железной начинкой лежит на поверхности, а вокруг него крутится магнитное поле. Шарик начинает катиться, как колесо, и обычно едет туда, куда вращается поле. Но иногда он вдруг разворачивается и катится в обратную сторону — против поля.

Крошечный магнит, собранный всего из двух молекул, лёг на поверхность металла — и повёл себя как капризный дирижёр. Обычно электроны в металле движутся согласованно, как толпа на эскалаторе. Но при сильном охлаждении этот порядок ломается, и движение становится непредсказуемым. Именно такое поведение удалось зафиксировать в новом эксперименте.

Магнетар — это нейтронная звезда с магнитным полем в сотни миллионов раз сильнее, чем у Земли. Если поднести к такому полю обычный магнит, он мгновенно размагнитится, а атомы вытянутся в тонкие нити.

Атомное ядро — не просто шарик из протонов и нейтронов. Внутри него, как в крошечном магните, есть своё распределение намагниченности. До сих пор его было трудно разглядеть: ядра живут ничтожные доли секунды, а их магнитное поле слабое. Теперь физики из ЦЕРНа нашли способ заглянуть внутрь. Они взяли короткоживущий изотоп калий-47 и поместили его в сильное магнитное поле.

Плоский магнит — как тонкий лист, по которому бегут волны намагниченности. В обычных условиях эти волны быстро затухают, но если включить сильное магнитное поле, в материале появляется неожиданный сигнал — чёткий и узкий, словно тень от основной волны. Учёные облучали кристалл CuF2(D2O)2(pyz) нейтронами и следили, как меняется рассеяние при разных полях.

Кольцо из магнитных атомов напоминает хоровод, где каждый участник держит за руки соседей. В обычных магнитах каждый атом имеет свой собственный постоянный магнитный момент, и они взаимодействуют как маленькие стрелки, стремящиеся выстроиться противоположно друг другу.

Магнитные атомы в твёрдом теле похожи на стрелки компасов: обычно при охлаждении они выстраиваются в одном направлении — так возникает магнетизм. Но в веществе TbInO3 стрелки тербия сидят на треугольной решётке, где невозможно угодить всем соседям сразу. Одна стрелка хочет смотреть на север, другая — на юг, и в итоге ни одна не может занять устойчивое положение.

Обычный сверхпроводник выталкивает магнитное поле, а это кольцо, наоборот, создаёт его внутри себя. Кольцо сделано из материала Fe(Te,Se) — соединения железа, теллура и селена, которое при очень низкой температуре теряет электрическое сопротивление.

Обычная резиновая полоска, начинённая мелкими железными опилками, в магнитном поле не просто изгибается — она завязывается в устойчивый узел. Такой эффект предсказали и воспроизвели в эксперименте физики, работавшие с магнитоактивным эластомером: силиконовой основой с частицами карбонильного железа.

Спокойная река вдруг начинает бурлить на ровном месте — так выглядит загадка, которую разбирали авторы новой работы. Они взяли тонкий слой заряженного газа с очень слабым магнитным полем и проследили на компьютере, что с ним будет. Сначала всё течёт ровно, как вода из крана. Потом в одном месте слой истончается, и магнитные линии, которые раньше лежали параллельно, начинают рваться и пересоединяться.

Лазерная вспышка ударяет по кристаллу оксида меди, и в нём, как круги по воде, расходятся волны магнитного возбуждения — магноны. Учёные впервые проследили их путь от рождения до исчезновения с точностью до фемтосекунд (миллионных долей миллиардной секунды). Сначала свет выбивает электроны, и спины атомов (их внутренние «магнитики») мгновенно теряют строй.

Футбольный мяч, закрученный ударом, летит не по прямой, а сгибает траекторию вбок. Примерно так же ведёт себя луч света, если его сильно сфокусировать: он начинает толкать атом не только вперёд, но и в сторону. Физики измерили этот сдвиг на одиночном ионе кальция, пойманном в световую ловушку. Луч направляли на атом, как прожектор на песчинку.

В обычном ферромагнетике спины электронов — их внутренние «магнитные стрелки», существование которых постулировал Вольфганг Паули, — ориентированы в одном направлении.