спин-орбитальная связь

Настройка радиоприёмника на станцию, которая меняет частоту при пересечении границы фаз, — так можно представить задачу, стоявшую перед исследователями. В металле YbRh2Si2 электроны ведут себя как «тяжёлые» частицы: их эффективная масса в сотни раз больше массы свободного электрона.

Картограф, рисующий не горы и реки, а невидимые связи между электронами, — так можно описать новую нейросеть. Вместо атомных координат она берёт молекулярные орбитали и чертит граф, где узлы — это орбитали, а рёбра — меры их квантовой запутанности.

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.

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.

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.

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.

$$10^{-35}$$ секунды. Крохотное мгновение, за которое Вселенная успевает расшириться в $$10^{26}$$ раз. Сразу после этого она проходит через тысячи быстрых превращений — словно шарик, скачущий по цепочке туннелей. Этот каскад составляет суть цепочечной инфляции, впервые предложенной Аланом Гутом. В простейшей модели все туннели одинаковы.

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.

Пара чёрных дыр кружится в танце, постепенно сближаясь. Они теряют энергию и вращение — этот процесс называют излучением углового момента. В обычной теории Эйнштейна момент уносят только гравитационные волны.

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).

Два листа селенида вольфрама — не углеродные, а из соединения вольфрама с селеном — поворачивают друг относительно друга на крошечный угол, около 5 градусов. Возникает муаровая картина: увеличенная периодическая решётка, где электроны ведут себя совсем иначе, чем в обычном кристалле. Недавно в таких скрученных слоях нашли сверхпроводимость.

Атомное ядро — не просто шарик из протонов и нейтронов. У него есть форма, и эта форма может меняться. Ядро олова-116 долго считали почти идеальным шаром: у него 50 протонов — «магическое» число, которое обычно придаёт ядру сферическую симметрию. Но новое сверхточное измерение показало иное. Физики применили метод кулоновского возбуждения.

В сердце квантового компьютера будущего может оказаться крошечная органическая молекула, похожая на треугольник. У неё есть два «лишних» электрона, которые не находят себе пару. Такие молекулы называют дирадикалами, и их электроны способны хранить информацию особым, квантовым способом.

Квантовые компьютеры будущего, скорее всего, станут общаться через свет. Атом хранит информацию, а фотон переносит её по сети. Но атом не висит неподвижно — он дрожит, колеблется, и это движение способно испортить сигнал. Раньше инженеры умели рассчитывать только неподвижный атом. Авторы новой работы впервые построили полную теорию, которая учитывает дрожание атома.

Лист бумаги в клетку, лист в ромбик и лист в соты — три разные вселенные для муравья. Сменил лист — и правила движения изменились. Примерно так же электроны ощущают кристаллическую решётку: геометрия диктует, будут они магнитиками, сверхпроводниками или чем-то ещё. В обычных материалах решётка жёсткая, как выгравированная.

Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник. Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект.

Пространство-время часто уподобляют туго натянутой ткани: массивное тело продавливает её, искривляя путь света. Вращение же закручивает эту ткань спиралью — возникает гравитационная воронка. Она способна запутать пролетающий фотон с самим источником вращения, например, крошечным зеркальцем.

Любой измерительный прибор ограничен квантовым шумом — фундаментальной дрожью элементарных частиц, вытекающей из принципа неопределённости Гейзенберга. Чтобы подавить эту дрожь, физики применили к молекулам фторида кальция метод квантового сжатия. Его идея напоминает сжатие воздушного шарика: надавите в одном месте — он выпятится в другом.

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.

Ток пропускают через пружинку из органических молекул — и на выходе электроны крутятся почти все в одну сторону. Этот фокус называют хиральной спиновой селективностью, и он долго не давал физикам покоя. В лёгких атомах спин (собственное вращение частицы) слишком слабо связан с движением заряда, чтобы обеспечить почти стопроцентную сортировку.

В кристалле нитрида бора идеальная атомная решётка местами нарушена: где-то атома не хватает, где-то его заменяет чужой. Под мощным микроскопом эти крошечные изъяны видны как ловушки для электронов — они захватывают частицы и начинают светиться, а ещё отзываются на магнитное поле.

Танцпол заполнен людьми: каждый движется сам по себе, никто не держится за руки. Вдруг музыка становится громче и ритмичнее — соседи начинают хвататься друг за друга, образуя пары, которые кружатся синхронно. Примерно так выглядел эксперимент в лаборатории, где облако атомов лития, охлаждённых почти до абсолютного нуля, заставили резко усилить взаимное притяжение.

Удержать в памяти номер телефона, пока вокруг кричат и хлопают дверьми, почти невозможно. Примерно так живёт квантовый бит — кубит — в обычном материале: ядра соседних атомов, словно крошечные магнитики, постоянно дёргают его и стирают информацию. Чтобы кубит не забывал, нужно найти для него тихое место. Таким убежищем оказался оксид церия — порошок, похожий на белую глину.

В куске обычного магнетика все электронные спины — крошечные магнитные стрелки — смотрят в одну сторону. Это строй солдат, повёрнутых лицом к командиру. Такой порядок называют коллинеарным альтермагнетиком.

Жонглёр подбрасывает булавы, сидя на вращающемся стуле. Если он начнёт крутить булавы все в одну сторону, стул поедет в противоположную — иначе нарушится закон сохранения вращения. Примерно так устроен эффект Эйнштейна — де Хааза: в куске железа магнитное поле выстраивает микроскопические магнитики-спины, и весь кусок чуть поворачивается.

Многолюдный зал, где каждый человек — это молекула, а его личный разговор — движение электронов внутри неё. В обычной ситуации все говорят сами с собой, и общий гул хаотичен. Но если в центре зала зажигают яркий прожектор, он начинает дирижировать толпой: люди синхронизируют свои движения, хотя свет лишь отражается от стен.

Кремний — тот самый материал, из которого сделаны процессоры в каждом телефоне и ноутбуке. Теперь в нём научились ловить одиночный электрон и управлять его спином — крошечным магнитом, который может указывать «вверх» или «вниз». Это как держать в руках волчок: его ось можно наклонять и поворачивать, но здесь вместо рук — электрическое поле.

В первые мгновения жизни Вселенной пространство было наполнено горячей плазмой, где частицы возникали и пропадали, словно пузырьки в кипящей кастрюле. Следы этих процессов, растянутые расширением до гигантских размеров, хранятся в реликтовом излучении — древнем свете, дошедшем до нас сквозь миллиарды лет.

Шёпот в ревущем водопаде — примерно так физики ищут гравитомагнитный эффект, крошечное влияние гравитации на вращение частиц. В высокозаряженных ионах, где электроны сняты почти полностью, этот эффект должен быть заметнее. Но атом сам создаёт электрический шум, который заглушает сигнал.

В пустом зале звук мечется между стен, превращаясь в гулкое эхо. Оптическая полость — та же эхо-камера, только для света. Здесь запертые фотоны так раскачивают молекулы, что привычные правила химии летят в трубу. У водорода (H₂) стабильность и возбуждение меняются ролями, будто качели перевернулись.

Две частицы, разлетевшиеся в противоположные стороны, ведут себя как единое целое: измерение одной мгновенно определяет состояние другой. Такая квантовая запутанность давно известна для лёгких частиц, но теперь её впервые увидели у тяжёлых Z-бозонов — переносчиков слабого взаимодействия.

Квантовый магнитометр на основе ядер водорода работает по принципу, напоминающему наушники с активным шумоподавлением. Он попеременно «слушает» магнитное поле двумя разными способами: шум для них одинаков, а полезный сигнал различен. Вычитая одно из другого, прибор выделяет сигнал, ослабляя помехи более чем в 1000 раз.

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.

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.

Два слоя магнитного материала, повёрнутые друг относительно друга на доли градуса, — как две слегка сдвинутые решётки на окне. В обычном состоянии они не создают ничего особенного, но при определённом угле поворота в материале возникает неожиданный эффект.

Лазер бьёт по атому стронция, и из него разом вылетают два электрона. Раньше считалось, что при такой двойной ионизации каждый электрон действует сам по себе: один выбит первым, второй — позже, случайно. Новый эксперимент с холодными атомами показал обратное: электроны покидают атом согласованно, как пара танцоров, держащихся за руки.

Крошечный алмаз висит в воздухе, удерживаемый электрическим полем, как пылинка в луче света. Внутри него спрятаны дефекты — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустота. Эти дефекты ведут себя как магнитики, которые можно переворачивать лазером и микроволнами. Когда магнитики переворачиваются, они слегка толкают алмаз. Толчок крошечный — как если бы муравей дунул на футбольный мяч.

Когда свет выбивает электрон из молекулы, оставшиеся электроны не сидят на месте — они перестраиваются, как пассажиры в вагоне, когда один выходит на остановке. В обычных молекулах эта перестройка почти незаметна, но в хиральных — зеркальных, как левая и правая рука, — она может заставить орбитали вращаться. Именно такое вращение впервые увидели в эксперименте.

Кубит — как жилец в крошечной квартире: обычно он занимает нижний этаж, чтобы не отвлекаться на соседей сверху. В германиевых квантовых точках, где живут спиновые кубиты, этот жилец — дырка, то есть место без электрона. У дырки есть спин, который работает как крошечная магнитная стрелка.

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.