спин

Пылесос втягивает пыль, даже если её больше у сопла. Так и в токамаке: частицы плазмы стягиваются к центру, хотя у края их плотность выше. Это явление называют пинчем частиц, и оно противоречит обычному правилу, что всё стремится из густого места в разреженное.

В некоторых кристаллах электроны не размазаны равномерно, а выстраиваются в строгую шахматную доску: на одной клетке электронов больше, на соседней меньше. Такой узор называют зарядовым порядком, и долгое время его считали чем-то застывшим, вроде рисунка на морозном стекле. Но недавно выяснилось, что этот узор можно перевернуть, как магнитный порядок переворачивают импульсом тока.

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».

Магнитный каркас кристалла EuMnSb2 напоминает строительные леса: марганцевые атомы образуют жёсткие вертикальные стойки, а европиевые — подвижные перекладины. До сих пор не было единого мнения, под каким углом наклонены эти перекладины в покое и как они поворачиваются, когда на леса давит магнитное поле. Обычные методы не давали точного ответа: атомы европия жадно поглощают нейтроны, и сигнал тонет в шуме.

Магнитное поле Земли непостоянно: оно дрожит от солнечного ветра, от далёких гроз, от работы метро. Чтобы заметить эти дрожания, нужен прибор, который сам не дрожит. Физики собрали такой прибор из атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В обычном газе атомы носятся хаотично, их сигнал размывается за миллисекунды.

Скирмион — это магнитный вихрь, напоминающий миниатюрный водоворот в море, где вместо воды закручена намагниченность материала. Эти структуры рассматриваются как перспективные ячейки памяти в компьютерах будущего, но для записи и чтения информации необходимо уметь перемещать каждый вихрь по отдельности.

Кристалл похож на город с разными улицами: по одним машины едут быстро и далеко, по другим — медленно и вязнут. В слоистом материале CrPS₄ магнитные волны, переносящие спин (собственный момент частицы), ведут себя так же. Вдоль одной оси кристалла они бегут в 2,2 раза быстрее и проходят в 2,7 раза дальше, чем вдоль другой.

Представьте магнит, который медленно нагревают. При низких температурах его микроскопические магнитные моменты — спины — выстроены в одном направлении: это состояние порядка. При высоких температурах они хаотически флуктуируют.

В ультрахолодном облаке атомов, охлаждённом почти до абсолютного нуля, возникают области с разной ориентацией спинов — собственных моментов импульса частиц, которые можно представить как крошечные магнитики. Эти области похожи на участки с разной намагниченностью, а границы между ними называют доменными стенками.

Одиночный атом эрбия, закреплённый на серебряной подложке, хранит квантовую информацию в своём спине — собственном моменте импульса электрона, который можно представить как внутреннее вращение. До недавнего времени для переворота этого спина требовался магнитный импульс — грубый инструмент, который воздействует на соседние атомы и работает медленно.

Камень, брошенный в стену, отскакивает. В квантовом мире частица может пройти насквозь, будто стена соткана из тумана. Это квантовое туннелирование — явление, при котором частица преодолевает энергетический барьер, не имея на то классической энергии. Оно зажигает звёзды, работает в микрочипах и даже в клетках нашего тела.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

Сверхчувствительные весы пытаются уловить разницу между двумя почти одинаковыми песчинками. Одна из них — идеальное отражение другой, как в зеркале. В мире элементарных частиц такое зеркальное отражение называют P-чётностью — фундаментальной симметрией, которая, как выяснилось, нарушается в слабых взаимодействиях.

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.

Когда два тяжёлых ядра сталкиваются на ускорителе, рождается крошечный огненный шар из кварк-глюонной плазмы — особого состояния вещества, где кварки и глюоны не заперты внутри частиц. Он расширяется и остывает, а вылетающие частицы нередко оказываются «закрученными»: их спины выстраиваются вдоль направления пучка.

Переводчик, отвлекающийся на каждый шорох в зале, рискует превратить час совещания в два. Одна неверная интонация меняет смысл до неузнаваемости. Примерно так же ведёт себя гравитино — гипотетическая частица со спином 3/2 (квантовое число, описывающее внутреннее вращение частицы).

Две звезды кружатся друг вокруг друга, постепенно сближаясь. Их танец теряет энергию, и эта энергия уходит в пространство — в виде гравитационных волн, а иногда и других полей.

Ток без потерь — давняя мечта энергетики. Некоторые материалы становятся сверхпроводниками, но обычно лишь при экстремальном холоде. Недавно в семействе никелатов — соединений на основе никеля — обнаружили кандидатов, которые работают при более высоких температурах.

Квантовый провод — это скоростная магистраль, где электроны несутся плотным потоком. У каждого электрона есть собственное внутреннее вращение — спин, — и до сих пор считалось, что разделить этот поток на две полосы, для «левого» и «правого» вращения, без потери квантовой упорядоченности почти невозможно. Нужны были либо сильные магниты, либо сложные трюки с потерей энергии.

Облако холодных атомов заперто между двумя зеркалами. Сквозь него пропускают свет, и атомы начинают коллективно излучать — этот эффект называют сверхизлучением. Но атомы не просто «светятся»: их спины (внутренние магнитные стрелки) взаимодействуют со светом двумя разными способами. Один зависит только от интенсивности, второй — от направления поляризации.

Квантовая цепочка напоминает гирлянду, где лампочки — это спины частиц. В идеале все лампочки горят синхронно, подчиняясь общему ритму, — это и есть симметрия. Но если отрезать кусок гирлянды, ритм может сбиться: внутри отрезка симметрия нарушается. Физики исследуют цепочку частиц с сильным взаимодействием — модель XYZ.

Обычный электрический ток греет провода — это знает каждый, кто трогал зарядку телефона. Но есть ток иного сорта: в нём электроны не бегут толпой в одну сторону, а синхронно вращаются, словно фигуристы в парном катании. Такое согласованное вращение называют спиновым током, и оно почти не выделяет тепла.

Кольцо собрали из нескольких разных кусков. В каждом куске частицы ведут себя по-своему — как музыканты с разными нотами. Самое интересное начинается на стыках: здесь частицы часто застревают, словно эхо, запертое в узком коридоре. Это явление называют скин-эффектом — частицы скапливаются у границы, как толпа у выхода. Но авторы заметили кое-что новое.

Пространство не пустота, а мозаика из мельчайших ячеек. В петлевой квантовой гравитации кривизну пространства-времени переносят с гладкого листа на сеть из «атомов» объёма — спиновых сетей. Каждый узел такой сети — квант пространства, а связи между ними — кванты площади. Но как эта мозаика меняется со временем?

В 2022 году физики описали новый тип магнетизма — альтермагнетизм. В нём электроны с разным направлением вращения (спином) разделяются по энергии в зависимости от направления движения, как бегуны, которые на одной дорожке ускоряются, а на другой замедляются. Но спин — не единственная степень свободы у частиц.

Электроны в твёрдом теле обычно либо свободно бегают (металл), либо заперты на месте (изолятор). Но иногда сильное взаимное отталкивание запирает их в половинчатом состоянии: заряды стоят, а спины — маленькие магнитные стрелки — продолжают жить своей жизнью. Это называют моттовским изолятором.

Каждый атом в магните — как крошечная стрелка компаса. Эти стрелки могут крутиться в разные стороны, и от их коллективного танца зависят свойства всего материала. Но рассчитать этот танец напрямую, атом за атомом, — задача неподъёмная даже для суперкомпьютеров. Новая модель под названием STEP берёт на себя роль дирижёра.

Винтовая лестница, по которой катятся шарики. Одни закручены вправо, другие влево. Ступеньки устроены так, что правозакрученные проскакивают быстрее, а левые застревают. Примерно то же самое происходит внутри спиральных молекул — например, в двойной спирали ДНК. Электроны, пролетая сквозь неё, делятся на два сорта по направлению своего внутреннего вращения (спина).

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.

В 1915 году Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хааз показали, что при намагничивании железного стержня тот слегка поворачивается — угловой момент электронов передаётся кристаллической решётке.

Долгое время идентификация квантовых фаз напоминала допрос свидетеля: нужно было добраться до каждого уголка системы, чтобы выведать её тайну. В эпоху Ландау порядок связывали с нарушением симметрии и локальным параметром — всё как на ладони.

Поиск глобального минимума в модели спинового стекла Шеррингтона–Киркпатрика напоминает восхождение на ледник, где каждая трещина — коварный локальный оптимум, а истинное дно погребено под хаосом ледяных глыб. Классический альпинист, бредущий по градиенту, почти наверняка замёрзнет в ближайшей расщелине.

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.

В великой симфонии магнетизма долго царил дуэт: громогласный ферромагнетизм и бесшумный антиферромагнетизм, где спины-солисты гасят друг друга. Но недавно в ансамбль вступил третий голос — альтермагнетизм.

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

В кристалле, который столетиями называли «золотом дураков», физики разглядели подлинное сокровище. Соединение MnTe2 с пиритной структурой стало сценой для квантового балета: спиновые волны здесь закручиваются в лево- и правосторонние вихри, причём направление закрутки намертво связано с импульсом.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

Слияния чёрных дыр, предсказанных ещё Карлом Шварцшильдом, — главный источник гравитационных волн, улавливаемых детекторами LIGO. За годы набралось 259 событий, и каждое — зашифрованная история рождения пары. Но есть ли в этих данных скрытая система?