нитрид кремния

Луч лазера в оптическом пинцете — это не просто пятно света, а силовой мешок. Частица, попавшая в него, обычно скатывается к самой яркой точке, как шарик в ямку. Но в лаборатории ETH Zurich поймали кремниевый цилиндр размером в сотню нанометров и удерживали его в самом тёмном месте стоячей волны — там, где свет гасит сам себя.

Тёмную материю никто не видел, но она должна проходить сквозь детекторы как ветер сквозь листву. Иногда, очень редко, частица тёмной материи задевает ядро атома — и тогда детектор должен уловить этот толчок. Проблема в том, что лёгкие частицы тёмной материи почти не могут сдвинуть тяжёлые ядра: это как пытаться сбить кеглю, бросая в неё пушинку.

Свет можно заставить поворачивать по команде, как воду в шланге — если знать, где нажать. Именно это делают электрооптические схемы: меняют направление луча внутри чипа электрическим полем. Классический материал для таких фокусов — ниобат лития, кристалл, который откликается на напряжение, как струна на щипок.

Камера в смартфоне ловит свет крошечными датчиками, но сами по себе они не различают цвета. Поэтому перед ними ставят цветные фильтры: красный, зелёный, синий — как витражи в окне. Каждый датчик видит только свой цвет, а потом программа собирает из этих кусочков полную картинку.

Свет в обычной комнате исчезает мгновенно, стоит выключить лампу. В крошечной полости из нитрида кремния фотон — квант света — может метаться между стенками 80 000 раз, прежде чем потеряется. Это как если бы мяч, брошенный в комнату, отскакивал от стен почти без потери скорости.

Кристалл йодида натрия, активированный таллием (NaI(Tl)), — своего рода фотоплёнка для невидимых частиц. Когда в него попадает гамма-квант или гипотетическая частица тёмной материи, он испускает слабую вспышку света — сцинтилляцию. Два кремниевых фотоумножителя, прижатые к торцам кристалла, регистрируют эту вспышку с двух сторон.

В холодном молекулярном облаке Тельца, где рождаются звёзды, телескопы обнаружили молекулы с запахом горького миндаля — ароматические нитрилы, соединения, содержащие бензольное кольцо с присоединённой нитрильной группой (–C≡N). На Земле они встречаются в персиковых косточках, но в космосе эти молекулы висят в ледяной пыли.

Спектроскопия всегда была способом услышать неслышимое. Ещё в XIX веке Иоганн Бальмер расшифровал стройные линии водорода — простую числовую гармонию, предвосхитившую квантовую теорию.

Два белых листа лежат на солнце — один шершавый, другой гладкий. Какой нагреется меньше? Шершавый рассеивает свет сильнее, и кажется, что он останется прохладнее. Но если покрытие состоит из множества прозрачных стеклянных шариков, логика меняется. Свет блуждает в нём, как в густом тумане, и в какой-то момент перестаёт замечать отдельные капли.

Камера смартфона снимает всё подряд, а глаз сразу выделяет главное. Сетчатка не просто передаёт картинку в мозг — она прямо на месте подчёркивает контуры, гасит лишний шум и подстраивается под яркость. Инженеры давно пытаются повторить этот трюк в «умном» железе, чтобы камеры тратили меньше энергии и быстрее принимали решения.

Раскалённый газ осаждается на подложку, слой за слоем наращивая прозрачную плёнку. Но вместо идеального зеркала поверхность иногда покрывается крошечными бугорками — как ледяные наросты на стекле в сильный мороз. Обычно их стараются убрать, потому что они мешают делать ровные детали. Физики из Оксфорда и их коллеги поступили иначе: посмотрели, что у бугорков внутри.

Квантовым сетям необходим интерфейс между хранилищем информации — спиновым состоянием частицы — и её переносчиком — светом. До недавнего времени ни одна одиночная молекула не могла выполнять эту роль. Однако физики обнаружили подходящего кандидата.

Слоёный пирог из атомных плоскостей никеля и кислорода — так устроены двуслойные никелаты. В них две такие плоскости разделены прослойкой. Если в этой прослойке сидит атом кислорода, он работает как мостик: связывает слои и запускает состояние, в котором электроны движутся без сопротивления.

В подвалах четырёх европейских институтов стояли семь устройств — каждое можно сравнить с камертоном невообразимой точности. Только вместо звука они выдают «тиканье» из света: колебания лазера, запертого на определённой частоте атомами стронция, иттербия или ртути.

Мостик из алюминия толщиной в несколько атомов — сердце многих квантовых приборов. Через такой мостик ток течёт без сопротивления, и им можно управлять магнитным полем. Такие мостики называют джозефсоновскими контактами — по имени британского физика, который описал их поведение. Обычно их делают с помощью электронного луча, но это дорого и медленно.

Лист бумаги почти ничего не весит, но если сложить сто листов в стопку, получится уже ощутимая пачка. Примерно так же поступили с материалом, который отлично умеет превращать один цвет света в другой, но только пока он толщиной в один атом. Один слой — как один лист: работает красиво, но слишком тонко, чтобы дать много света.

Толпа на узкой улице движется медленно, потому что люди натыкаются друг на друга. В кремнии тепло переносится похожими «толчками» — колебаниями атомов, которые называют фононами. Если прорезать в кремниевой плёнке крошечные отверстия, фононы будут натыкаться на них, как пешеходы на столбы, и тепло пойдёт хуже.

Поваренная соль на кухне делает еду вкуснее, а в лаборатории — помогает растить кристаллы толщиной в несколько атомов. Учёные взяли селенид олова и с помощью соли вырастили из него тончайшие пластинки — настолько тонкие, что их называют двумерными. Соль выступила как разделитель: она не давала пластинкам слипаться и заставила их ровно лечь на подложку, как блинчики на сковороде.

Стрелка компаса дрожит, когда рядом проезжает грузовик. Так и в крошечном гироскопе — приборе, который чувствует поворот, — любой шум заглушает полезный сигнал. Инженеры долго не могли ужать гироскоп до размеров ногтя, не потеряв точность. Решение нашлось в архитектуре из двух цепочек. Свет бежит по двум дорожкам на чипе, и поворот заставляет его чуть-чуть обгонять сам себя.

Грязная вода с антибиотиками — не просто отходы, а скрытый источник энергии. Химики собрали материал из двух частей: наностержней оксида титана (белый пигмент в красках и солнцезащитных кремах) и нанолистов нитрида углерода.

Обычная вода в стакане прозрачна и спокойна. Но если в неё добавить крошечные углеродные точки, сделанные из сахара и лимонной кислоты в обычной микроволновке, вода начинает светиться, когда сквозь неё пролетает заряженная частица. Углеродные точки — это частицы углерода размером в несколько нанометров, меньше вируса.

В кристалле можно запустить звук такой высокой частоты, что человеческое ухо его не услышит, — и заставить этот звук бегать по кругу, как поезд по кольцевой дороге. Инженеры взяли тонкую плёнку нитрида кремния, нанесли её на подложку из ниобата лития и вырезали в ней дорожки для звуковых волн.

Микропластик — крошечные фрагменты синтетических полимеров — сегодня обнаруживают повсюду: от горных ледников до продуктов питания. Традиционный аналитический подход, спектроскопия, основанный на взаимодействии света с веществом, долгое время требовал дорогостоящих детекторов для регистрации невидимого инфракрасного излучения.

Настройка радиоприёмника на любимую станцию — это поиск нужной частоты среди шума. Новый прибор делает то же самое, но для волн длиной около трёх миллиметров. Такие волны приходят из далёких галактик и, возможно, от частиц тёмной материи. Прибор — это узор из сверхпроводящих ниобиевых дорожек на кремниевой пластинке.

В глубокой пещере под итальянскими Апеннинами стоит резервуар с газом. Внутри него пролетают заряженные частицы, оставляя за собой слабые вспышки света. Эти вспышки — как след от лодки на тёмной воде: по ним можно понять, куда и как быстро плыла частица. Впервые такой след удалось разглядеть не в вакууме, а при давлении, почти как у нас за окном.

В кристалле оксида цинка спрятан квантовый дуэт: атом олова и атом лития, сидящие рядом. Их связь настолько тесна, что электрон, захваченный этой парой, словно живёт на олове, а литий лишь подыгрывает. Такой комплекс долго искали, но только теперь его удалось создать намеренно и опознать по характерному свечению. Электрон здесь не просто крутится вокруг ядра — его спин крепко сцеплен со спином ядра олова.

Светящаяся точка размером с молекулу. Через неё пропускают ток — и она вспыхивает, как крошечная лампочка. Так выглядит эксперимент с молекулами красителя на поверхности тонкой соляной плёнки. Когда ток попадает в молекулу, один электрон отдаёт ей энергию. Молекула тут же отдаёт эту энергию обратно — в виде света. Это как качели: толкнули один раз, а они качнулись и замерли.

Заводская труба выбрасывает в воздух углекислый газ, а рядом стоит установка, которая ловит этот газ и под солнечным светом собирает из него молекулы этилена — сырья для пластиковых пакетов и труб. Такую картину приблизили материаловеды, которые модифицировали кристалл полуметалла PdSn4 небольшим количеством платины.

Обычный провод греется, когда по нему идёт ток. Сверхпроводник — нет. Но почти все известные сверхпроводники работают либо при очень низкой температуре, либо под огромным давлением, как в недрах планет. Учёные давно ищут материал, который обходится без этих крайностей. В новой работе взяли соединение лития, меди и водорода — Li3CuH4.

Тонкий кристалл гексагонального нитрида бора — родственник графита, только прозрачный и диэлектрик. В его решётке иногда встречаются одиночные дефекты: атом бора или азота отсутствует, и на его месте образуется ловушка для электронов. Такая ловушка способна поглощать свет и испускать его обратно, как крошечный фонарик.

Солнечный свет падает на крышу, и в тонкой плёнке рождаются электроны. Они должны успеть добежать до проводов, пока не остыли и не растеряли энергию. В сульфиде олова — дешёвом и доступном материале для батарей — этот бег и остывание удалось снять с невиданной резкостью: кадры следуют через миллиардные доли миллиардной доли секунды.

Толстый срез ткани под микроскопом похож на запотевшее стекло: свет рассеивается, и детали теряются. Обычно, чтобы увидеть клетки, их окрашивают или разрезают на очень тонкие ломтики. Но есть способ проще — сделать сам срез прозрачным, как будто протёрли стекло. Раствор из 60% глицерина и 10% тартразина (жёлтого пищевого красителя) погружает кусочек печени или почки мыши в «невидимую» среду.

Луч лазера проходит сквозь стекло и касается тонкой алмазной плёнки. В месте касания плёнка превращается в узкую полоску, которая слегка приподнимается. Рядом кладём вторую такую полоску — и между ними остаётся пустой коридор. Это и есть канал: ширина его может быть в пятьдесят раз больше высоты, как лист бумаги, лежащий на столе.

Натрий — сосед лития по таблице Менделеева, но его в земной коре в сотни раз больше, и он гораздо дешевле. Поэтому натриевые батареи могли бы заменить литиевые в электромобилях и накопителях энергии. Проблема в том, что натрий крупнее лития, и ему труднее пробираться сквозь кристаллическую решётку катода. Материал быстро устаёт, ёмкость падает.

Инфракрасный свет с длиной волны около трёх микрометров — рабочий диапазон для распознавания молекул: каждая молекула поглощает свет на своих характерных частотах, оставляя «отпечатки пальцев». Но до сих пор приборы для этого диапазона не могли одновременно давать широкий охват частот, достаточную мощность и точность, привязанную к атомным стандартам.

Жалюзи, которые не просто пропускают или задерживают свет, а меняют его цвет. Свет падает на наклонные полоски, и часть лучей выходит уже другого оттенка — как если бы белый луч, пройдя сквозь щели, становился зелёным. Именно так работает новая поверхность: на тонкой плёнке ниобата лития (материал, который умеет преобразовывать свет) лежат наклонные полоски диоксида титана.

Световой импульс, как комок пластилина, при проходе через обычный материал сохраняет форму. Но если на пути поставить особый слой толщиной в один атом, импульс начинает расплываться — его спектр становится шире.

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.

В холодных облаках между звёздами, где рождаются новые светила, идёт невидимая химическая работа. Простые молекулы сталкиваются, обмениваются атомами и собираются в цепочки, которые позже могут стать частью планет. Одна из таких цепочек — ион NCCO+, состоящий из азота, двух углеродов и кислорода.

Нитинол — металл с памятью: сжатый в крошечную трубочку, он сам распрямляется внутри сосуда и держит его открытым. Но просто вставить стент мало — нужно, чтобы он не зарастал тромбами. Для этого на него наносят лекарство, которое должно выходить медленно, как вода из губки, а не выливаться разом.