СКВИД

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако водорода и растягивает атомы, как ириску. Так выглядит сверхпроводник, когда в нём заперт незатухающий ток: вещество, в котором электричество течёт без потерь, превращается в миниатюрный постоянный магнит.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

Оркестр играет, но дирижёр слышит только общий гул. Каждый инструмент ведёт свою партию, а разобрать, где флейта, а где контрабас, не получается. Нужен анализатор спектра — устройство, раскладывающее звук по частотам. В астрономии та же задача: холодная межзвёздная пыль и газ излучают на миллиметровых и субмиллиметровых волнах, и чтобы понять их состав и движение, нужно разложить этот свет в спектр.

Лоскутное одеяло, где каждый лоскут — запись активности небольшого участка мозга. Один лоскут сшили в понедельник в Лондоне, другой — во вторник в Нью-Йорке, а третий вообще месяц назад в Токио. Вся эта мозаика покрывает мозг лишь частично, и нет общего шва, чтобы их соединить.

Обычные магнитные датчики теряют чувствительность при уменьшении размеров. Но учёные превратили крошечный алмаз в световой компас. В отличие от ювелирных алмазов, здесь ценны не чистота, а искусственно созданные дефекты — азотно-вакансионные центры (NV-центры), которые и превращают кристалл в компас.

Крошечный шарик массой в доли миллиграмма, подвешенный в магнитном поле и охлаждённый почти до абсолютного нуля, совершает колебания на протяжении 110 часов без остановки — это рекордный уровень изоляции от внешней среды.

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.

Магнитное поле Земли, которое поворачивает стрелку компаса, — сильное. Новый датчик ловит поля в сто тысяч раз слабее, и для этого ему не нужны ни жидкий гелий, ни громоздкие установки. Всё умещается на печатной плате — такой же, как внутри смартфона. Секрет — в паре из медного резонатора и кристалла железо-иттриевого граната.

Обычный лазер — это усилитель света, в котором атомы, получив энергию, дружно испускают волны одной частоты. Мазер делает то же самое, но для микроволн — невидимого излучения, которое греет еду в микроволновке и передаёт сигналы в телефонах.

Один электрон в магнитном поле — как крошечный волчок, который крутится и слабо «пищит» на своей частоте. Услышать этот писк напрямую почти невозможно: он тонет в шуме. Учёные придумали резонатор — сверхпроводящую микроволновую полоску, которая работает как камертон, настроенный на ту же ноту.

Магнитные атомы в твёрдом теле похожи на стрелки компасов: обычно при охлаждении они выстраиваются в одном направлении — так возникает магнетизм. Но в веществе TbInO3 стрелки тербия сидят на треугольной решётке, где невозможно угодить всем соседям сразу. Одна стрелка хочет смотреть на север, другая — на юг, и в итоге ни одна не может занять устойчивое положение.

Обычный сверхпроводящий кубит похож на качели, которые раскачивает любой порыв ветра. Малейшее изменение электрического заряда рядом — и квантовое состояние уже испорчено. В новой работе физики сделали качели с тяжёлым основанием: заряд на островке кубита может меняться только парами, как будто монетки кидают в копилку строго по две. Это и есть защита от зарядового шума.

Белый карлик — это то, что остаётся от звезды вроде Солнца после того, как она сбрасывает внешние слои. Остаётся горячее ядро размером с Землю, но с массой, близкой к солнечной. Чайная ложка такого вещества весила бы как грузовик. Некоторые из этих звёзд обладают очень сильными магнитными полями — в миллиард раз мощнее земного.

В лабораториях, где атомы охлаждают почти до абсолютного нуля, даже крошечное изменение магнитного поля сбивает все настройки. Обычные датчики — пластинки Холла или катушки с ферритовым сердечником — стоят в нескольких сантиметрах от вакуумной камеры, потому что сами создают помехи. Но расстояние означает, что они не чувствуют поле именно там, где находятся атомы.

Магнит на холодильнике притягивает скрепку — это поле мы чувствуем руками. А теперь уменьшите это поле в миллиард раз. Такие слабые сигналы испускают атомы внутри нашего тела, и их очень трудно поймать. Учёные собрали датчик из особых молекул, которые сами ведут себя как крошечные магнитики.

Обычный сверхчувствительный датчик магнитного поля похож на весы, которые начинают врать, если положить на них слишком тяжёлый груз. Сигнал от него становится кривым, и приходится добавлять сложную электронику, чтобы выпрямить показания. Эта электроника шумит и мешает работать быстро. Новый датчик — би-СКВИПТ — устроен иначе.

В микромире всегда присутствует шум. Даже в абсолютной пустоте что-то дрожит, и эти квантовые колебания, предсказанные принципом неопределённости Гейзенберга, мешают точным измерениям. Но шум можно «сжать», словно надувной шарик: если стиснуть его с боков, одна сторона станет тоньше, зато другая распухнет.

Фотон можно представить как автомобиль на многоэтажной парковке, где каждый этаж соответствует его частоте (цвету). В обычных условиях он «застревает» на одном уровне, но исследователи внедрили «лифт» — программируемый модулятор, который по команде перемещает фотон между этажами.

Нанопровод похож на крошечный кабель: внутри — магнитный сердечник, снаружи — алюминиевая оболочка, которая может проводить ток без сопротивления. Но ужиться им непросто: сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость, как шум заглушает тихую мелодию. В этой работе нанопровод из арсенида индия покрывали слоем магнитного соединения европия и серы, а сверху — алюминием.

В приёмнике телескопа, нацеленного на самое древнее свечение Вселенной, сидит крошечная пластинка-термометр. Она настолько чувствительна, что тепло одного-единственного фотона может её заметно нагреть. Но чтобы услышать этот шёпот тепла, нужен посредник — усилитель, который не добавит своего шума.

Гитарная струна, задетая пальцем, дрожит — и воздух вокруг неё передаёт дрожь в ухо. Пространство-время дрожит иначе: когда в нём проходит гравитационная волна, оно слегка растягивается и сжимается. Заметить такую дрожь на частотах от 10 килогерц до 100 мегагерц — задача, для которой строят детекторы нового типа. В основе — сверхпроводящая радиочастотная полость.

Тёмная материя — невидимая субстанция, которая держит галактики вместе, но до сих пор ускользает от прямых наблюдений. Детектор BULLKID-DM спроектирован так, чтобы ловить частицы-кандидаты с массой около 1 ГэВ (примерно как у протона) и очень слабым взаимодействием с обычным веществом — сечение меньше $$10^{-40}$$ см². Это как пытаться услышать шёпот в шумном городе.

Кончик иглы, которым водят по поверхности, чтобы почувствовать неровности, обзавёлся сверхчувствительным «носом» для магнитных полей. Учёные собрали на острие кантилевера — тонкой упругой балки, как в атомно-силовом микроскопе, — крошечный сверхпроводящий контур, который ловит малейшие колебания магнитного потока.

Точные измерения силы тяжести нужны и геологам, и навигаторам. Но обычные гравиметры — громоздкие приборы, которые долго «успокаиваются» после каждого измерения. А если нужно следить за быстрыми изменениями притяжения — например, при движении под землёй или в полёте? Тут нужен прибор маленький и отзывчивый. Авторы статьи предлагают собрать такой прибор на одном чипе.

Сверхпроводящий контур — это аналог качелей без трения, достижимый лишь при экстремальном холоде: температурах жидкого гелия (–273 °C), близких к абсолютному нулю. В таких условиях электрический ток, однажды запущенный, циркулирует без затухания, сохраняя строгий ритм — частоту колебаний.

Обычный свет всегда немного дрожит: его яркость и цвет колеблются, как воздух в надутом шарике после толчка. В сжатом свете эти квантовые флуктуации перераспределяют — словно шарик сдавливают с одной стороны, делая здесь тоньше, а там толще, но общий объём тот же. Так жертвуют точностью в одном параметре, например амплитуде, чтобы выиграть в другом, например фазе.

Пустота обманчива. Уильям Унру показал, что для ускоряющегося наблюдателя вакуум перестаёт быть холодным — он ощущается как тепловая ванна.

Цепочка атомов, размещённая на светопроводящем чипе, ведёт себя подобно ряду маятников на общей перекладине: раскачиваясь в противоположных направлениях, они почти не передают энергию воздуху и замирают надолго.

Создание сверхчувствительных датчиков для фотометрии — измерения характеристик света и спектроскопии — анализа спектрального состава излучения начинается с микроскопических резонаторов — оптических камер, где свет многократно переотражается, подобно эху в глубоком колодце.

Классическая теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности, описывающая тяготение как искривление пространства-времени — и квантовая физика крайне редко встречаются в прямых экспериментах.