квантовая спиновая жидкость

Молекула триптицена напоминает трёхлучевую звезду с жёсткими лучами. Когда такие звёзды рассыпают по поверхности свинца, они сами складываются в узор, похожий на плетёную корзину: треугольники и шестиугольники чередуются, а в каждом узле сидит не одна звезда, а пара.

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.

Кристалл хенмилита, напоминающий слоёный пирог из меди и бора, представляет собой спиновую лестницу: спины меди организованы в две параллельные цепочки, соединённые «перекладинами».

В тонкой плёнке из кобальта и железа, нанесённой на кремниевую подложку, формируется крошечный магнитный вихрь — скирмионоподобная структура, называемая магнитной каплей. Он не разлетается, а удерживается на месте, подобно капле масла на горячей сковороде, где роль жара играет электрический ток, пропущенный через узкий перешеек шириной порядка сотни атомов.

Сверхтекучий газ — это квантовое состояние вещества, в котором атомы ведут себя как единое целое, подобно толпе людей, идущих в ногу: каждый атом «знает» направление движения и не выбивается из общего ритма. Но у этой квантовой толпы есть три «долины» — три разрешённых квантовых состояния, соответствующих разным направлениям коллективного движения.

Кристалл PbCuTe₂O₆ представляет собой трёхмерную паутину из атомов меди, теллура и кислорода. Внутри неё магнитные моменты — крошечные стрелки, связанные со спинами электронов, — запутаны так, что не могут выстроиться в привычный порядок даже вблизи абсолютного нуля.

В мире, закованном в кристаллическую решётку и охлаждённом почти до абсолютного нуля, материя умеет скрывать свои главные тайны. Квантовая спиновая жидкость — состояние, где спины электронов никогда не замирают даже при нулевой температуре, оставаясь в вечно мерцающей суперпозиции.

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.

В привычной гейзенберговской картине спинам при низких температурах надлежит выстроиться в строгий узор. Но есть кристаллы — например, пирохлор, — где геометрия вершит свой суд.

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.

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

Тонкая магнитная плёнка похожа на строй солдатиков с крошечными магнитными стрелками. В плоском мире тепловые толчки быстро сбивают этот строй — малейший нагрев разрушает порядок. Так работает запрет Мермина–Вагнера: в двух измерениях непрерывная симметрия не выживает при конечной температуре.

В мире, стремящемся к хаосу, иногда рождается ритм. Химическая реакция Белоусова–Жаботинского десятилетиями поражает воображение: в пробирке сами собой бегут цветные волны, словно живой организм, дышащий материей. Нечто подобное таится в кристаллах, где атомы железа балансируют между двумя магнитными ипостасями — высокоспиновой и низкоспиновой.

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.

Кастрюля с водой на плите: чем горячее конфорка, тем быстрее лёд превращается в воду, а вода — в пар. Тепло разрушает порядок. Но иногда природа выкидывает фокус — и от нагрева жидкость застывает, словно лужа на морозе.

Сахар растворился в чае, а потом одним движением собрался обратно в ложку. В обычной кухне такого не увидеть — мешают вязкость и беспорядок. Но в мире сверхмедленных движений, где инерция исчезает, подобные фокусы становятся реальностью.

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.

Внутри сверхпроводника магнитное поле обычно закручивается в трубки — вихри, каждый из которых несёт один квант магнитного потока. Так устроена классическая решётка Абрикосова. Но в кристаллах LiFeAs картина иная. Мюонная спектроскопия показала: поле проникает не отдельными вихрями, а полосами. В каждой полосе — пары «безсердцевинных» вихрей.

Согласно Стандартной модели, вакуум — не пустота, а океан виртуальных частиц-призраков — нейтрино и других частиц, почти не взаимодействующих с веществом. Сверхсильное электромагнитное поле, словно шторм, вырывает пары электронов и позитронов в реальность, преодолевая энергетический барьер их рождения.

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.

Внутри Земли есть твёрдое железное ядро размером с Луну. Оно плавает в жидком металле и слегка покачивается — как косточка в персике, если потрясти плод. Такие покачивания называют слейтеровскими модами: ядро смещается то вдоль оси планеты, то поперёк. Движение тормозят сразу три силы. Вязкая жидкость обволакивает ядро, как патока ложку. Вращение Земли заставляет жидкость двигаться по спирали.

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.

Магнитные монополи — как половинки магнита, которые не могут существовать поодиночке в обычном материале. Но в спиновом льду они появляются парами, соединённые невидимой нитью — струной Дирака. Раньше такие монополи видели только в искусственных системах при комнатной температуре, но их квантовое движение оставалось загадкой.

В некоторых материалах магнитные моменты атомов — их крошечные «стрелки» — отказываются застывать даже при сверхнизких температурах. Вместо привычного порядка они образуют спиновую жидкость: состояние, где спины постоянно мерцают, но делают это согласованно, словно танцоры в сложном па.

Плетёная корзина из бамбука — не просто предмет обихода, а точная схема расположения атомов в кристалле YMn₆Sn₆. Шесть атомов марганца образуют шестиугольники, которые складываются в узор, напоминающий японскую кагомэ. В такой решётке электроны обычно ведут себя одинаково, как пассажиры в переполненном вагоне метро.

Капля чернил падает в стакан воды, и от неё разбегаются круги. Вода кажется простой, но если заглянуть внутрь, каждая молекула не просто летит вперёд — она ещё и вращается, как крошечный волчок. Это собственное вращение частиц физики называют спином. Обычно его не замечают: в спокойной воде волчки крутятся как попало, и их вращение не сказывается на движении всей жидкости.

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.

Капля воды на столе выглядит спокойной, но внутри неё кипит квантовая жизнь. Протоны в атомах водорода — как маленькие волчки, которые постоянно крутятся. У каждого есть своё направление вращения. В магнитном поле эти волчки выстраиваются, а если поле начинает колебаться, они начинают «танцевать».

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.

Внутри магнита есть участки, где все атомные магнитики смотрят в одну сторону. Между такими участками — узкая переходная зона, где направление намагниченности плавно поворачивается. Эту зону называют доменной стенкой. Раньше её считали невесомой: толкнул — тут же остановилась. Но новые эксперименты показали, что у стенки есть инерция.

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.

Кристалл размером с половину спичечного коробка вырастили в печи, где расплавленная зона медленно ползла вдоль стержня, оставляя за собой идеально упорядоченные слои. Внутри этого кристалла ионы меди сидят в узлах треугольной сетки — но треугольники слегка перекошены, как будто кто-то надавил на один угол. Каждый ион меди ведёт себя как крошечная магнитная стрелка, которая может указывать вверх или вниз.

Если кристалл нагреть, его атомы начинают дрожать сильнее — как струны, натянутые туже или слабее. В кристалле LaCoO3 (соединение лантана, кобальта и кислорода) при нагреве от 2 до 650 К происходят две важные перестройки: около 100 К меняется магнитное состояние ионов кобальта, а около 550 К материал из изолятора превращается в проводник.

Квантовая запутанность — явление, при котором состояния двух или более частиц оказываются взаимозависимыми, — напоминает поводок, связывающий эти частицы. Но длина этой привязи строго ограничена.

Физики взяли 114 атомов рубидия, охладили до температур почти абсолютного нуля (как в экспериментах с жидким гелием) и аккуратно разложили в узор пчелиных сот. Затем они начали плавно менять силу взаимодействий, словно медленно повышая температуру в кастрюле. При низком «огне» атомы держались стройными магнитными рядами, образуя упорядоченную структуру, похожую на кристалл.

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.

Три заряженных атома иттербия выстроены в треугольник внутри электромагнитной ловушки. Обычно они все общаются друг с другом, как три человека за одним столом, которые постоянно обмениваются репликами. Но если один из них выйдет в соседнюю комнату, беседа продолжится уже между оставшимися двумя.

Обычный сверхпроводник похож на строй солдат, идущих парами: электроны объединяются, и их спины (внутренние «волчки») смотрят в противоположные стороны. Магнитное поле легко разворачивает такие пары, разрушая сверхпроводимость. В UTe₂ всё иначе.

Магниты в этом кристалле ведут себя как гости на вечеринке, где каждый хочет сесть на один и тот же стул. Никто не может устроиться окончательно — и от этой неразберихи рождается особое состояние. В нём спиновый момент (то, что делает электрон крошечным магнитиком) умудряется пробежать 480 микрометров.