спиновый транспорт

Каждый осциллятор несёт собственный компас, встроенный в кристаллическую решётку. Раньше спин-холловские наноосцилляторы, крошечные источники микроволн на спиновом токе, не могли обойтись без внешнего магнита: именно он задавал общую ось, вокруг которой колебалась намагниченность.

Замороженный оркестр, в котором музыканты меняются местами, когда дирижёр-магнетизм задаёт новую партитуру. В кристалле шпинели атомы железа и магния сидят в двух типах кресел: одни окружены четырьмя соседями, другие шестью. При комнатной температуре они лишь слегка шевелятся, но стоит охладить вещество до 5 К, как начинается массовое переселение.

Толпа у входа в узкий коридор ведёт себя не так, как в просторном зале: одних прижимает к стенам, других выталкивает вперёд. Примерно то же происходит, когда вытянутая частица оказывается в жидкости, кишащей самодвижущимися гантелями. До сих пор было неясно, почему такая частица движется вдоль длинной оси быстрее, чем поперёк, и как плотность толпы влияет на её скорость.

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.

По узкой дороге навстречу друг другу идут два каравана. Один — широкий и медленный, везёт груз плотности. Другой — вереница лёгких повозок с током, проскальзывает между первыми. Так в разряде магнетрона сосуществуют две структуры, вращающиеся в противоположные стороны: спица плотности и нити тока.

Пластиковая плёнка толщиной с человеческий волос содержит платиновые точки размером меньше миллионной доли миллиметра — так называемые наночастицы. Они расположены на границе двух слоёв транзистора и действуют как ловушки для электрического заряда: подобно губке, впитывающей воду, эти точки захватывают и удерживают электроны.

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.

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.

В кольцевом ускорителе пучок электронов мчится по замкнутой траектории миллионы раз. Если электроны закручены, как нити в верёвке, их вихревое движение — орбитальный угловой момент — должно сохраняться. Но на пути пучка встречаются случайные толчки от несовершенных магнитов, которые могут разрушить эту структуру.

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.

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.

В длинных отростках нейрона — дендритах — постоянно снуют крошечные курьеры. Это молекулы матричной РНК — матричная РНК, или мРНК, — которые несут инструкции для сборки белков. Их путь начинается в теле клетки, а заканчивается в синапсах — специализированных контактах с другими нейронами.

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.

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.

Лист бумаги с магнитными свойствами — примерно так устроен новый материал 1T-CrS₂. Его слои скреплены слабыми силами, как страницы блокнота, но каждый слой — настоящий магнит. Причём магнит жёсткий: он сохраняет намагниченность поперёк слоёв и не теряет её даже при нагреве выше комнатной температуры. Вырастить такие кристаллы долго не удавалось.

Ток ионов через мембрану похож на очередь к турникету. Иногда турникет свободен — ионы проходят быстро. Иногда застревает — поток падает. Слабое магнитное поле, как выяснилось, не толкает ионы в спину, а просто меняет число открытых турникетов. Авторы построили равновесную модель, где транспортный канал может находиться в нескольких состояниях — одни проводят ток, другие нет.

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).

Космический буксир с ионным двигателем разгоняется медленно, зато тратит очень мало топлива. Чтобы добраться с одной орбиты на другую, нужно решить непростую задачу: как долго включать двигатель и куда его направлять. Обычно ищут самый быстрый перелёт при заданной массе аппарата. Авторы новой работы перевернули условие: они спрашивают, какой может быть предельная стартовая масса, если время перелёта уже назначено.

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

Космические лучи не летят по прямой. Заряженные частицы, разогнанные до огромных скоростей, петляют в магнитном поле Галактики, словно пылинки в потоке ветра. Обычно считается, что они просто рассеиваются вдоль и поперёк силовых линий.

Некоторые материалы внутри устроены как лента Мёбиуса — их электронные состояния закручены особым образом. Такие топологические свойства обычно пытаются менять мощным магнитным полем, словно пытаясь разгладить ленту кувалдой. Группа исследователей нашла более тонкий инструмент.

В некоторых кристаллах магнитные моменты атомов — их микроскопические «стрелки» намагниченности — колеблются согласованно, подобно волне, бегущей по трибунам стадиона. Эта спиновая волна переносит спин без перемещения электрических зарядов, а значит, почти не нагревает материал. Такое течение напоминает невидимую реку — бесшумное и холодное.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — кубит — должен играть свою партию точно и вовремя. Обычно музыкантов рассаживают на фиксированные места и соединяют проводами-пультами. Но что, если позволить им свободно передвигаться по сцене, а само движение превратить в часть музыки?

Кротовая нора похожа на туннель с очень узким горлом. Если отправить в такой туннель звуковой сигнал, часть эха вернётся, а часть застрянет в середине — и будет выходить наружу очень медленно. Именно так ведут себя скалярные частицы (простейший тип частиц без спина) в расчётах для четырёхмерной проходимой кротовой норы.

Квантовая частица, пробегая по замкнутому кольцу, оставляет на своём пути две разные «записи». Первая — словно отпечаток пальца на дверной ручке: он остаётся неизменным, сколько бы раз вы ни поворачивали ручку, и говорит только о форме и материале.

Кристалл теллура напоминает крошечную винтовую лестницу: атомы в нём закручены в спираль. Когда через такой кристалл бежит тепло, его переносят не электроны, а звуковые волны — колебания самой решётки. Эти волны не просто толкаются вперёд-назад, но ещё и вращаются вокруг своей оси, как запущенный волчок.

Резиновый жгут растягивается и возвращается обратно. Стальная пружина сжимается и разжимается. Упругость кажется свойством простых вещей — куска металла или капли геля. Но авторы этой работы заглянули глубже. Они показали, что спин электрона — его собственное крошечное вращение — тоже может быть упругим.

Расчёска, проведённая по волосам, притягивает клочки бумаги. Этот простой трюк физики решили применить на микроскопическом уровне — для управления магнитными вихрями, которые называют скирмионами. Скирмион похож на крошечный смерч в море намагниченности: в его центре стрелки компаса смотрят вверх, а по краям закручиваются вниз. Так получается стабильный узел, который не распутывается сам собой.

Водитель крутит руль, чтобы машина повернула. В квантовом мире тоже есть свои «рули» — внешние параметры, которые плавно меняют, чтобы перегнать частицы из одного места в другое. Так устроен насос Таулеса: медленно изменяя условия, можно перекачать строго определённое число частиц, и это число защищено от помех самой геометрией процесса.

Если бросить горсть монет на стол, они лягут как попало. Но в некоторых кристаллах атомы выстраиваются в узор, напоминающий плетёную корзину — решётку кагоме. В металле MgMn₆Sn₆ такую решётку образуют атомы марганца, и при комнатной температуре они действуют как крошечные магнитные стрелки. Только смотрят эти стрелки не строго в одну сторону, а слегка расходятся веером в плоскости слоя.

Кусок магнетита — обычного железного камня — ведёт себя странно. При комнатной температуре он проводит электричество, но стоит охладить его ниже минус 150 градусов, как сопротивление резко подскакивает. Этот скачок, открытый ещё в 1939 году, физики не могли объяснить почти век. Новая работа предлагает разгадку.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

Пчелиные соты построены из одинаковых ячеек, но стоит чуть изменить форму одной — и вся конструкция приобретает новые свойства. Примерно так же поступили исследователи, создавая магнит без единого атома металла. Они взяли плоские углеродные молекулы в форме треугольников — триангулены — и выложили их в гексагональную решётку, как пчёлы строят соты.

Электрон, летящий сквозь газ, похож на пловца, который пытается пересечь оживлённый бассейн. Каждое столкновение с атомом меняет его курс и скорость. В плотном газе аргона таких столкновений так много, что простое описание перестаёт работать. Физики измерили подвижность электронов — насколько легко они дрейфуют под действием электрического поля.

Ковёр лежит ровно, но если его толкнуть с краю, по нему побегут складки. В тонкой плёнке сульфида тантала (1T-TaS2) складки из электронов — волны заряда — застывают, как будто ковёр примёрз к полу. Чтобы сдвинуть их, нужно приложить усилие. Учёные нашли способ управлять этим усилием с помощью электрического поля и магнита.

В тонком слое жидкого кристалла — вещества, которое течёт как жидкость, но молекулы в нём выстроены в порядке, как в твёрдом теле, — рождаются вихри размером меньше толщины человеческого волоса. Эти вихри похожи на крошечные волчки: они могут двигаться, не разрушаясь, и ведут себя почти как настоящие частицы.

Вода в ручье не течёт ровным слоем: она промывает извилистые дорожки, где поток быстрее. Примерно так же ведут себя электроны в холловском двигателе — устройстве, которое толкает космический корабль струёй плазмы. Внутри двигателя магнитное поле удерживает электроны, а они ионизируют газ и создают тягу. Но часть электронов всё же утекает поперёк поля, снижая эффективность.

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.

Реснички — это крошечные волоски на поверхности клеток. Они бьются, как вёсла, и двигают жидкость. В лёгких они выталкивают пыль и микробов наружу. Но их длина разная: у человека — тысячные доли миллиметра, у гребневиков — несколько миллиметров. Как такие разные реснички работают вместе? Учёные построили машину, которая резко дёргает жидкость, как будто ресничка ударила. Они снимали это на скоростную камеру.

Электрон — не просто шарик, он ещё и крутится вокруг собственной оси, как волчок. В обычных условиях эти волчки направлены в разные стороны и быстро сбиваются. Но в некоторых материалах, где спин связан с движением электрона, возникает удивительный порядок: все волчки смотрят в одну сторону, и их направление не зависит от скорости.