квантовый порядок и беспорядок

Два танцора на одной сцене: треугольник и полоса. В квантовом газе из атомов диспрозия, охлаждённом до 62 нанокельвинов, эти две пространственные структуры впервые столкнулись в одном эксперименте. Газ удерживается в ловушке, похожей на доску для сёрфинга, и атомы в нём — одни из самых магнитных в таблице Менделеева.

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.

Муаровые узоры — наглядный пример того, как наложение двух периодических структур с разным шагом создаёт новый, более крупный рисунок. Вспомните две расчёски с чуть отличающимся расстоянием между зубьями: сложенные вместе, они показывают тёмные разводы. Похожий эффект физики обнаружили во времени.

Мозаика из квадратов и треугольников покрывает пол без щелей, но не складывается в простой повторяющийся рисунок. Такой узор — это квазикристалл, твердое тело, где атомы расставлены не периодически, а по рисунку из нескольких волн разной длины. Волны эти несоизмеримы друг с другом, и вместе они создают дальний порядок.

После Большого взрыва, согласно инфляционной космологии, Вселенная пережила стремительное расширение и серию фазовых переходов. В этот период, как полагают теоретики, в ткани пространства-времени могли застыть топологические дефекты — космические струны, доменные стенки, монополи.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Каждая система — будь то атом или цепочка частиц — звучит на своих частотах, которые физики называют уровнями энергии. В хаотических системах, как в оркестре без дирижёра, эти частоты обычно заполняют весь доступный диапазон без пробелов. Но авторы новой работы нашли удивительное исключение.

Слияние чёрных дыр — это не беззвучный удар. Родившаяся дыра дрожит и затухает, испуская гравитационные волны — рябь самого пространства. Этот сигнал называют «звоном» (ringdown), и он похож на затихающий звон колокола: у него есть основной тон и несколько обертонов.

В квантовой теории поля есть давняя загадка: инфракрасные расходимости. Обычно их воспринимают как досадную техническую помеху, которую нужно аккуратно «замазать» в расчётах. Но что, если это не баг, а фича? Новый взгляд переворачивает перспективу: инфракрасные расходимости — не помеха, а прямое доказательство того, что вакуум не застывшая пустота.

Быстрые радиовсплески (FRB) — загадочные маяки Вселенной, за миллисекунды испускающие энергию, сопоставимую с излучением Солнца за столетия.

Музыканты в оркестре играют каждый свою партию, не слыша других. В идеальном кристалле дисульфида вольфрама на графене экситоны — связанные пары электрон-дырка — ведут себя так же: они почти не смешиваются из-за скрытой симметрии, которую называют долинной.

В воде, охлаждённой до −40 °C, наступает парадоксальная пауза: идеальный гексагональный лёд не спешит рождаться. Вместо этого образуется разупорядоченная структура с вкраплениями кубических слоёв — настоящая колыбель для будущей симметрии, полная беспорядка, но уже заряженная скрытой архитектурой.

Графен — двумерный кристалл углерода — долгое время манил физиков надеждой на высокотемпературную сверхпроводимость. Его электроны подчиняются релятивистскому уравнению Поля Дирака, несутся с огромной скоростью, почти не замечая друг друга.

Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок современной физики. Ещё Вера Рубин, наблюдая вращение галактик, доказала, что видимого вещества недостаточно, чтобы удержать звёзды от разлёта.

Струна звучит идеально чисто, пока её не тронет сквозняк. Примерно так работает суперрадиантный лазер: пучок атомов, заранее заряженных энергией, пролетает сквозь комнату из двух зеркал — оптический резонатор (ловушку, где свет мечется туда-сюда). Атомы дружно отдают запасённый свет, и рождается луч с чрезвычайно стабильной частотой — такой хоть в атомные часы ставь.

Внутри нейтронной звезды материю сдавливают так, что атомные ядра перестают быть отдельными комочками. Нейтроны и протоны приближаются друг к другу, и их внутренности — кварки — начинают чувствовать соседей сквозь стенки своих «мешков». Нейтронная звезда — это шар радиусом с небольшой город, но массой как полтора Солнца. Чайная ложка её вещества весит миллиарды тонн.

Толпа людей, которые могут свободно двигаться, но вдруг начинают действовать как одно целое — так сверхпроводник пропускает ток без сопротивления.

Кристалл похож на строй солдат на плацу: каждый атом на своём месте, и электроны маршируют по нему ровными волнами. Аморфный материал — это толпа на вокзале, где никакого порядка нет, одна сплошная толчея. В такой толпе электрон обычно быстро застревает, словно человек, пытающийся пройти сквозь плотную массу людей.

В обычном кристалле атомы стоят ровными рядами, как солдаты на плацу. Любое отклонение от этого строя принято считать вредным: беспорядок рассеивает волны и быстро гасит коллективные движения частиц. Но в некоторых материалах специально смешивают разные атомы, чтобы получить так называемую высокоэнтропийную структуру — этакий винегрет, где каждый сорт атомов занимает случайное место.

В сильном магнитном поле электроны, запертые в тонком слое, иногда выстраиваются в ровный узор — как гости на многолюдной вечеринке, которые нашли место, где никто не толкается. Такой порядок называют кристаллом, хотя это не лёд и не соль, а сами электроны, замершие на своих местах. Раньше этот узор лишь предполагали, а теперь его впервые разглядели напрямую.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию. Если дирижёр даёт сбой, музыка рассыпается. В цифровых квантовых симуляциях роль дирижёра играет последовательность простых операций, а ошибки накапливаются, как фальшивые ноты. Но иногда оркестр звучит чисто, даже если дирижёр не идеален. Авторы статьи нашли объяснение такому везению.

В квантовом мире есть правила, которые кажутся нарушенными. Одно из них — закон сохранения: если в классической физике симметрия гарантирует сохранение заряда, то при переходе к квантовому описанию эта гарантия может исчезнуть. Такое явление называют квантовой аномалией.

Поверхность кристалла уранового соединения UTe2 похожа на застывшее море: в одних местах электроны свободно движутся, в других — застревают возле атомов. Сканирующий туннельный микроскоп (прибор, который ощупывает поверхность острейшей иглой и чувствует отдельные электроны) показал, что этот пейзаж не случаен.

Сверхпроводник проводит ток без потерь, как идеально ровная дорога, по которой машины едут без трения. Но что, если на дорогу насыпать камней и ям? Учёные решили проверить это, добавив беспорядок в сверхпроводящий материал толщиной в один атом. Они взяли тончайший слой соединения железа, теллура и селена — сверхпроводник при температуре выше, чем у многих других.

Охлаждённый слоистый кристалл напоминает стопку тонких листов, между которыми гуляют электроны. При температуре около 17 К в нём появляются крошечные области, где электроны выстраиваются в волну — как рябь на поверхности воды, застывшая на месте. Эти области называют зарядовыми лужицами, и раньше считалось, что они неподвижны.

Кристалл, который внутри напоминает губку с лабиринтом пор, оказался способен выполнять вычисления. Материал с названием DUT-8 состоит из металлических узлов и органических перемычек, образующих ажурную решётку. Под воздействием разных газов эта решётка слегка меняет форму — как карточный домик, который перестраивается от лёгкого дуновения.

Обычная плитка укладывается в периодический рисунок — мотив повторяется снова и снова. Но атомы, эти фундаментальные «кирпичики» вещества, демонстрируют куда более изощрённое поведение: при определённых условиях они самопроизвольно выстраиваются в сложную мозаику, где узор никогда не повторяется, — подобно старинным изразцовым панно с их непериодической, но строгой гармонией.

Сверхпроводящий кубит — это крошечная электрическая цепь, которая ведёт себя как искусственный атом. В обычном состоянии через неё течёт ток без сопротивления, и энергетические уровни расположены ровно, как ступеньки лестницы. Но если в цепи застревает один-единственный электрон, всё меняется.

Атомы в кристалле обычно сидят по своим местам, как пассажиры в самолёте по билетам. Но в этом материале медь и тантал заняли места случайно — будто билеты перепутали. Учёные заглянули в кристалл с помощью рентгеновского излучения и увидели: беспорядок не просто на бумаге, а в самом расположении атомов. Из-за этого магнитные связи между атомами меди получились очень разными.

Встряхните банку с песком и шариками — и увидите, как крупные предметы всплывают или тонут в зависимости от размера. Но если встряхивать умно, можно заставить шарики собираться в пары и цепочки, словно они приклеены друг к другу. Именно такой «невидимый клей» впервые поймали и измерили физики из Индии и Германии.

Временные кристаллы — экзотическая фаза материи, которая демонстрирует периодическое движение не в пространстве, а во времени, даже находясь в основном, невозбуждённом состоянии. Эту идею, напоминающую вечные часы, не требующие завода, впервые предложил Фрэнк Вильчек.

Квантовые частицы в среде с сильным беспорядком ведут себя подобно танцорам, синхронно исполняющим па: каждый знает своё движение и не сталкивается с другими. Именно такое согласованное течение без трения — сверхтекучесть — неожиданно возникло в эксперименте на сверхпроводящем квантовом чипе.

Мозаика Пенроуза — это покрытие плоскости двумя типами плиток, которое никогда не повторяется, создавая апериодический узор. Открытая Роджером Пенроузом как математический курьёз, она неожиданно нашла физическое воплощение в квантовом мире.