квазичастица

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Так же массивные тела рождают гравитационные волны — колебания самого пространства-времени. До сих пор эти волны ловили огромными детекторами: они чуть вздрагивают, когда волна проходит сквозь них. А что творится на микроуровне, внутри крошечного кусочка вещества?

В квантовом мире частицы иногда ведут себя как акробаты на невидимых канатах. Поле инстантона — это кратковременный вихрь поля, который возникает и тут же исчезает, меняя топологию пространства. Когда фермион (частица вроде электрона) попадает в такой вихрь, его энергия не стоит на месте. Она плавно сползает с одного уровня на другой, словно шарик, катящийся по горке.

В мире квантовых частиц есть свои «интроверты» — энионы. Это квазичастицы, которые не похожи на привычные электроны или протоны: если двух таких «интровертов» поменять местами, они запоминают этот манёвр, словно оставляя невидимый след в квантовом состоянии системы.

В кристалле тепло распространяется посредством колебаний кристаллической решётки. Атомы колеблются, и эти колебания, называемые фононами — коллективными возбуждениями, переносящими энергию, — перемещают тепло от горячего края к холодному.

Сверхпроводящий кубит — базовый элемент квантового процессора — сравним с капризным музыкальным инструментом: пока его не настроишь, чистой ноты не жди. Но даже после настройки звук плывёт. Виновники деградации квантового состояния — микроскопические дефекты в материале, известные физикам как двухуровневые системы (ДУС).

При низких температурах многие материалы становятся сверхпроводниками — электрический ток течёт без сопротивления. Но как возникает это состояние, если электроны сначала были заперты в изоляторе? Полвека назад Филип Андерсон предположил, что ответ кроется в особом квантовом танце частиц.

Пустой резонатор — не совсем пустой. Даже в абсолютном вакууме, где нет ни одного фотона — кванта света, — существуют квантовые флуктуации: непрерывное рождение и исчезновение виртуальных частиц. Это похоже на рябь на воде в полный штиль: поверхность кажется гладкой, но молекулы продолжают дрожать. Физики научились превращать эту дрожь в настоящие волны — реальные фотоны.

Квантовый мир устроен хитро: иногда частицы, запертые в плоском слое и пронизанные сильным магнитным полем, начинают вести себя как жидкость, состоящая не из целых электронов, а из их долей — дробных зарядов. Это дробный квантовый эффект Холла.

Графен, лист углерода толщиной в один атом, ведёт себя как водная гладь — пока не появляется сверхпроводимость. Тогда по нему, словно круги от брошенного камня, расходятся необычные волны: пары электронов движутся без трения. Но в особом, хиральном состоянии эти волны закручены в одну сторону, как вода в сливе ванны.

Чёрная дыра после удара звенит, как колокол. Только вместо звука она испускает гравитационные волны, частота которых быстро падает — это называют квазинормальными модами. По такому «звону» можно узнать массу дыры, её вращение и другие свойства.

Массивный алюминиевый цилиндр весом в тонну висит в вакууме. Сквозь него проходит гравитационная волна — рябь пространства-времени, — и брусок начинает едва заметно дрожать. Эту дрожь можно услышать как звук: гравитационная волна превращается в фонон — квант звуковых колебаний.

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.

В городе элементарных частиц есть дом на самой границе — X(3872). Он стоит ровно на черте, отделяющей его от распада на два более лёгких строения: D-мезон и анти-D-мезон. Чуть толкни — и он развалится. Но дом стоит. Физики долго спорили, что его держит. Обычные силы — цветовое взаимодействие кварков — здесь слабы на больших расстояниях.

В 1984 году мир кристаллографии перевернулся: в сплаве алюминия и марганца обнаружили острые дифракционные пики с симметрией пятого порядка – словно природа насмехнулась над строгими теоремами, запрещавшими повторяющимся узорам иметь оси 5, 8, 10 или 12.

В мире двумерных материалов порой рождаются состояния столь же необычные, как и хрупкие. Одно из них — дробный аномальный холловский кристалл (FAHC) — словно квантовый кентавр: наполовину упорядоченная решётка, наполовину топологическая жидкость.

С тех пор как Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик движутся слишком быстро, а Вера Рубин измерила вращение спиральных рукавов, тёмная материя остаётся главной загадкой космологии.

Квантовое туннелирование — способность частиц проходить сквозь барьеры, запрещённые классической физикой, — питает звёзды термоядерным синтезом, зажигает первичный нуклеосинтез и дарит нам флеш-память.

Квантовая материя редко балует нас зрелищем самодвижения. Там, где классический мир полнится стаями скворцов, косяками рыб и суетливыми бактериями, квантовая термодинамика долго хранила покой.

Чёрная дыра — не мёртвый объект. После возмущения, например слияния с другой дырой, она звенит, как колокол. Этот звон — не просто звук, а сложный набор затухающих колебаний, которые называют квазинормальными модами. Их частота и скорость затухания зависят от самой дыры: её массы, заряда и вращения.

Представьте небоскрёб, собранный не из отдельных кирпичей, а из целых квартир-студий. Именно так устроен кристалл Au₆Te₁₂Se₈: его узлы — не атомы, а сверхатомные кластеры из золота и халькогенов, которые ведут себя как единые квантовые объекты.

В кипящей воде можно увидеть прообраз квантового фокуса: если часть жидкости превратить в долгоживущие пузыри пара, основная масса остынет. Именно это происходит при резком ударе по системе взаимодействующих электронов: вспыхивают дублоны — связанные пары частиц, которые вбирают в себя лишнюю энергию и не распадаются поразительно долго.

Камешек падает в пруд — и по воде расходятся круги. В квантовом мире пруд состоит не из воды, а из множества одинаковых частиц, и камешек — тоже частица, только чужая. Такую чужую частицу называют поляроном Ферми. Десятилетиями физики изучали, как полярон чувствует себя на одном месте. Но что происходит, когда он начинает двигаться?

В длинном коридоре толпа людей старается держаться подальше друг от друга. В просторном зале они бы просто разошлись, но здесь стены сжимают так, что приходится двигаться гуськом, согласовывая каждый шаг. Похожим образом ведут себя электроны в слоях графена, повёрнутых один относительно другого на крошечный угол.

Вы ищете тихую комнату для важного разговора. Заходите в помещение — и слышите тишину. Но стоит приглядеться, как выясняется: в одном углу просто сломана вентиляция, а в другом — провал в полу, который гасит звук. Примерно так же физики охотятся за майорановскими нулевыми модами — особыми возбуждениями в сверхпроводниках, которые могут стать идеальными ячейками для квантовых вычислений.

В микромире дальнодействующие силы — гравитация или электричество — не выключаются даже на огромных расстояниях. Поэтому любая частица тянет за собой шлейф из мягких (то есть очень низкоэнергетических) фотонов или гравитонов. Этот шлейф называют «одеждой» — без него расчёты разваливаются, появляются бесконечности.

Странный вышел бы бильярд, если бы шары не имели массы. Они бы не сталкивались, а проходили друг сквозь друга, не замечая препятствий. Примерно так выглядит попытка представить свет как поток классических частиц — маленьких упругих телец, летящих по прямой. Новое доказательство ставит на этой картине крест.

Вселенная похожа на многослойный пирог, где наш слой — звёзды, планеты и люди — лишь один из многих. В соседнем слое, который физики называют скрытым сектором, кипят свои процессы. Эта работа рассказывает об одном таком процессе — фазовом переходе первого рода, когда вещество резко меняет состояние, как вода превращается в лёд.

Облачко атомов рубидия попадает в ловушку из света. Лазеры и магнитные поля выстраивают её наподобие кристаллической решётки, только ячейки здесь не доли миллиметра, а доли микрометра. Сами атомы охлаждены почти до абсолютного нуля: тепловое дрожание замирает, и они начинают вести себя не как россыпь шариков, а как единая квантовая жидкость.

Сверхтвёрдое тело — экзотическое состояние материи, сочетающее кристаллический порядок со сверхтекучестью: вещество одновременно сохраняет жёсткую периодическую структуру и течёт без трения. Его получают, охлаждая атомы почти до абсолютного нуля.

Глыба тёмной материи дрейфует в пустоте — невидимая, почти неосязаемая. Из чего она состоит, никто не знает, но новая работа предлагает взглянуть на неё как на каплю квантовой жидкости. Два сорта частиц-фермионов — условно «тяжёлые» (ψ) и «лёгкие» (χ) — обмениваются сигналами через третью частицу-посредника (φ), словно поплавки, связанные одной леской.

Камень падает в пруд — и по воде разбегаются круги. Длинные волны и короткие движутся с одной скоростью: так ведёт себя обычный звук почти в любой среде. Но в квантовых жидкостях всё может быть иначе. Физики рассмотрели сверхтекучую жидкость, где частицы движутся по «плоской» энергетической полосе.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, не слушая других. Вдруг, без видимого приказа, соседи по пульту начинают идеально синхронизироваться, но общей мелодии ещё нет. Нечто подобное происходит в некоторых материалах при охлаждении: электроны теряют энергию, словно готовясь к сверхпроводимости, но так в неё и не переходят.

Представьте две квантовые частицы, связанные невидимой нитью — квантовой корреляцией. Одна из них теряет энергию, вторая — ровно столько же набирает, так что общий запас остаётся неизменным. Если наблюдать лишь за первой частицей, её колебания не затухают: ритм остаётся таким же ровным, как у космического пульсара — вращающейся нейтронной звезды, излучающей строго периодические импульсы.

Бросьте камешек в пруд — по воде пойдут круги. Ударьте в колокол — он загудит на своей частоте. Чёрная дыра после столкновения с другой дырой тоже «звенит», только вместо звука — дрожь самого пространства. Эти затухающие колебания называют квазинормальными модами (как звон, который постепенно стихает).

Звук распространяется сквозь среду с определённой скоростью. Когда среда движется быстрее звука, волны увлекаются потоком — подобно щепке, затянутой в водоворот. В сверхтекучем гелии — жидкости, лишённой вязкости и трения — быстрое вращение порождает квантованные вихри, напоминающие микроскопические воронки.

Маятник старинных часов качается, потому что его регулярно подталкивает механизм на пружине. А теперь вообразите маятник, который сам решает, когда ему качнуться — и делает это с неизменным ритмом, просто от того, что в комнате тепло и немного сквозняка. Именно так ведут себя временны́е кристаллы, рождённые в сгустках света и вещества внутри полупроводникового чипа.

Выложите пол одинаковыми треугольниками — получится скучный повторяющийся узор. А если хочется, чтобы рисунок никогда не повторялся, но плитка была всего одна? Долгое время математики были уверены: так не бывает. Нужны хотя бы две разные фигуры. Знаменитая мозаика Пенроуза — как раз такой случай: ромбы с острыми и тупыми углами складываются в бесконечно разнообразный, но строго упорядоченный узор.

В тонком бутерброде из полупроводников свет рождает пары — электрон и положительную дырку, которые держатся вместе, как шарик на резинке. Обычно такие пары, экситоны, быстро излучают свет и исчезают. Но есть и другие — тёмные, живущие в сотни раз дольше, потому что их внутреннее устройство запрещает им легко отдавать энергию наружу.

Обычный аккумулятор в телефоне копит энергию в химических связях — медленно, с нагревом и износом. Квантовый конденсатор работает иначе: он заряжается не веществом, а ритмом. Качели, которые раскачиваются в такт толчкам, накапливают энергию в самом движении, без трения.