странный металл

Карта плотной ядерной материи напоминает карту дорог: линии фазовых переходов пересекаются в критических точках, как трассы в перекрёстках. До сих пор на такой карте находили два перекрёстка: ядерный жидкость-газ и деконфайнмент, где адроны распадаются на кварки.

Старые карты сокровищ рисовали по слухам: кто-то нашёл золото у реки, кто-то в горах, и каждый копал в своём месте. С высокотемпературными сверхпроводниками вышло похоже: купраты нашли в одних соединениях, пниктиды железа в других, никелаты в третьих, а общей карты не было.

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

Нейтронная звезда — это компактный остаток массивной звезды после вспышки сверхновой. Вещество в ней сжато до ядерной плотности: чайная ложка такого материала весила бы как гора. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны упакованы вплотную, и при колоссальном давлении могут рождаться гипероны — барионы, содержащие странный кварк.

Охотник расставляет силки в лесу. Он знает повадки зверя, но не знает, попадётся ли тот вообще. Примерно так же физики расставляют детекторы в попытке поймать частицы тёмной материи — невидимой субстанции, которая, как считается, составляет большую часть массы Вселенной. Новая работа предлагает охотникам необычный инструмент: не капкан, а рулетку.

Крошечный бутерброд из оксидов, выращенный слой за слоем, становится идеально проводящим при температуре около минус 200 градусов Цельсия. Это не фокус, а новая глава в поиске высокотемпературных сверхпроводников.

Ветер несёт пыльцу, и каждая пылинка движется будто сама по себе. Но стоит воздуху закружиться вихрем, и траектории пыльцы уже не разделить — они перепутаны. Примерно так ведут себя электроны в странном металле: их движение так сильно связано с мягкими колебаниями среды, что привычные частицы-переносчики исчезают.

Сверхпроводимость и магнитное поле — извечные противники: поле врывается вихрем, разрывая нежное спаривание куперовских пар, уничтожая порядок. Но в материалах с сильными электронными корреляциями, где частицы словно танцуют сложный менуэт притяжения и отталкивания, вражда порой перерождается в союз. Именно это происходит в кристалле уранового дителлурида UTe2.

Семейство никелатов — слоистые кристаллы, похожие на стопку блинов: слои никеля и кислорода чередуются с прослойками лантана. Два года назад в них обнаружили сверхпроводимость — способность проводить ток без сопротивления при охлаждении. Но данные разных лабораторий разнились так, будто каждый измерял свой материал.

С помощью лазерной спектроскопии — метода, который можно сравнить с прослушиванием эха от кристалла: световой импульс возбуждает образец, а отклик рассказывает о внутренней структуре, — физики исследовали слоистый материал.

Горсть песка весом с небольшую гору — примерно так устроены странглеты, крошечные сгустки из «странной» кварковой материи, где частицы спрессованы до немыслимых плотностей. В новой работе астрофизики проверили, могут ли такие объекты существовать в природе и какими они были бы на вид. За основу взяли модель, где кварки заперты внутри «мешка» — так физики называют силы, не дающие кваркам разлететься.

Металлический брусок при нагреве вдруг становится жёстким, а заодно теряет или приобретает магнитные свойства. В сплавах на основе никеля и марганца такие превращения происходят не плавно, а скачком — атомы перестраиваются в новый порядок, и материал меняет своё поведение.

Кастрюля с водой на плите: чем горячее конфорка, тем быстрее лёд превращается в воду, а вода — в пар. Тепло разрушает порядок. Но иногда природа выкидывает фокус — и от нагрева жидкость застывает, словно лужа на морозе.

В знакомых нам металлах вроде меди электроны движутся почти независимо — как автомобили на свободной трассе. Сопротивление возникает из-за редких столкновений, и его можно описать простыми формулами.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Но если камень очень мал, а вода не совсем обычна, круги проходят сквозь него, даже не заметив. Примерно так ведут себя звуковые колебания в сверхтекучем гелии: при крайне низких энергиях они просачиваются через препятствия, словно тех и нет. Физики называют это аномальным туннелированием.

Кристалл — как город: если улицы кривые, движение застревает. В кристалле роль улиц играют атомные ряды, а движение — это поток электронов. Малейшая неровность, примесь или смещение атома заставляет электроны рассеиваться. Учёные из нескольких лабораторий научились выращивать кристаллы так, что «улицы» стали почти идеально прямыми. Метод называется горизонтальный перенос вещества.

Внутри медных сверхпроводников — материалов, которые проводят ток без потерь при неожиданно высоких температурах — есть скрытая фаза. Она ведёт себя как обычный металл, но её не видно в стандартных измерениях.

Лазер бьёт по кристаллу, и тот отвечает вспышками света — как колокол звенит в ответ на удар. Но если колокол тёплый, его звук дрожит и глохнет. Так и здесь: атомы кристалла постоянно дрожат от тепла, и эта дрожь мешает электронам лететь ровно, поэтому свет получается тусклым и смазанным. Учёные взяли кристалл Re6Se8Cl2 — вещество, где атомы собраны в крупные блоки, похожие на строительные кубики.

Крошечный магнит, собранный всего из двух молекул, лёг на поверхность металла — и повёл себя как капризный дирижёр. Обычно электроны в металле движутся согласованно, как толпа на эскалаторе. Но при сильном охлаждении этот порядок ломается, и движение становится непредсказуемым. Именно такое поведение удалось зафиксировать в новом эксперименте.

Представьте чайник с закипающей водой. На границе кипения жидкость и пар сосуществуют, чётко разделённые. Но если резко поднять давление и температуру, эта граница исчезает: вещество переходит в сверхкритическое состояние — уже не жидкость и не газ, а нечто среднее, где различия стираются. Удивительно, но чёрные дыры демонстрируют похожее поведение.

Плетёная корзина из ивовых прутьев держит форму за счёт переплетения. Похожий узор — треугольники, сцепленные в плоскую сетку — обнаружили в новом кристалле с формулой Cs₃V₉Te₁₃. Здесь атомы ванадия образуют два набора треугольников, которые пронизывают друг друга, как нити в ткани. Этот узор не просто красив: он заставляет электроны двигаться по особым «плоским» энергетическим дорожкам.

Металлическая нить толщиной с волос прорастает сквозь керамику, как корень сквозь асфальт. В твердотельных батареях такие нити называют дендритами, и они появляются, когда ток при зарядке превышает критический порог. Керамический электролит — твёрдый, но хрупкий, как стекло.

Обычное оконное стекло кажется застывшим навеки, но внутри него атомы никогда не стоят на месте. В аморфном теллуриде германия (GeTe) — материале, который используют в перезаписываемых дисках и энергонезависимой памяти, — физики впервые напрямую проследили, как атомные связи растягиваются и сгибаются за триллионные доли секунды.

Электроны в кристалле CrSb ведут себя как стайка рыб: внутри материала они снуют по своим «коридорам», а на границе с вакуумом выстраиваются в причудливые узоры. Эти узоры — поверхность Ферми, карта всех разрешённых скоростей электронов. До неё не дотянуться рукой, но её можно «прощупать» магнитным полем.

Кристалл CeRh₂As₂ ведёт себя как переключатель: охладите его — и он станет сверхпроводником, а потом поднесите магнит — и он скачком перейдёт в другое сверхпроводящее состояние. Такое поведение редкость: большинство сверхпроводников имеют лишь одно состояние, а тут их два, разделённые резкой границей.

Кристалл RbMn6Bi5 похож на пятиэтажку из атомов марганца, где жильцы на каждом этаже образуют пятиугольник. При комнатной температуре магнитные моменты атомов хаотично колеблются, как стрелки компасов в магнитную бурю. Но стоит охладить кристалл ниже определённой температуры, и стрелки внезапно замирают в строгом порядке.

В материале NaAlSi при охлаждении электроны формируют мимолётную рябь — полосы, которые возникают и исчезают, словно узор на воде от порыва ветра. Эта рябь переплетается со сверхпроводимостью — квантовым состоянием, в котором электрический ток течёт без сопротивления.

Тёмная материя — невидимый каркас космоса, гравитационно удерживающий галактики и скопления. Её существование впервые заподозрил Фриц Цвикки, изучая скорости галактик в скоплении Волос Вероники, а позже убедительно подтвердила Вера Рубин, измеряя кривые вращения спиральных галактик.