сверхпроводящий детектор

На столе лежит слоёный пирог из чешуек гексагонального нитрида бора — материала, похожего на графит, но из атомов бора и азота. Одну чешуйку аккуратно переносят на другую, и в месте их перекрытия после прокаливания в кислороде рождаются яркие одиночные источники света. Их плотность вырастает до пятнадцати раз по сравнению с обычными участками, а качество остаётся прежним.

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.

Глобус стоит на столе, а линейка лежит рядом: одна изогнута, другая прямая. Рентгеновские телескопы годами жили с этой нестыковкой. Их зеркала собирают свет на изогнутую поверхность, как глобус, а детекторы, которые этот свет ловят, были плоскими, как линейка.

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.

Сверхпроводящий квантовый интерферометр — это прибор, чувствующий магнитное поле в миллиарды раз слабее, чем стрелка обычного компаса. Внутри него есть узкий мостик, где сверхпроводимость на мгновение прерывается. Этот мостик работает как турникет для магнитного потока: считая, сколько квантов потока прошло, прибор измеряет поле.

Свет звезды, проходя через атмосферу и оптику телескопа, дрожит, как солнечные блики на воде. В этой ряби прячутся планеты — слабые искры рядом с ослепительным светом. Чтобы их увидеть, нужно заморозить рябь: сделать свет ровным, как стекло. Но рябь меняется каждую миллисекунду, и обычные приборы не успевают её измерить.

Вселенная постоянно шлёт нам сигналы, но многие из них слишком слабы, чтобы их заметить. Реликтовые нейтрино — частицы, оставшиеся от Большого взрыва, — проходят сквозь Землю миллиардами каждую секунду, но поймать хотя бы одно — задача на грани возможного. Нужен детектор, который почувствует энергию в тысячу раз меньше, чем нужно, чтобы сдвинуть пылинку.

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.

Многие материалы ведут себя как капризный лёд: при одном давлении плавятся, при другом — становятся твёрже. Сверхпроводники семейства купратов — не исключение. Их способность проводить ток без потерь зависит от того, насколько сильно сжата кристаллическая решётка. В новой работе физики проследили эту зависимость для соединения Bi-2223.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

Инженеры разрабатывают сплав для солнечных концентраторов, вводя в матрицу твёрдые дисперсные частицы — упрочняющую фазу, подобную изюму в тесте, которая позволяет материалу сохранять структурную стабильность при экстремальных температурах. Если эти включения оказываются чрезмерно крупными, в материале возникают трещины.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно коллапсирует, инициируя взрыв сверхновой. Этот катаклизм порождает потоки частиц — подобно расходящимся кругам от брошенного в воду камня. Первыми достигают Земли быстрые нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом.

Сверхпроводники — материалы, способные проводить электрический ток без диссипативных потерь, — традиционно требуют экстремального охлаждения. Однако соединение Hg1223, состоящее из ртути, бария, кальция, меди и кислорода, бросает вызов этой закономерности: его электрическое сопротивление обращается в нуль уже при –139 °C.

Фотограф снимает ночной лес и пытается поймать в кадр светлячков. Вспышки редкие, слабые, а вокруг — шум ветра и далёкие огни. Примерно так работает огромный детектор Hyper-Kamiokande в Японии: он ловит нейтрино — почти неосязаемые частицы — по крошечным вспышкам света в 260 тысячах тонн воды.

Луч фонарика, направленный сквозь матовое стекло, с каждым лишним миллиметром толщины превращается в размытое пятно. Примерно так же ведут себя сцинтилляторы — материалы, переводящие рентгеновские лучи в видимый свет. Они лежат в основе медицинских снимков, досмотра багажа и детекторов на ускорителях.

Четыре крошечные лужицы, и в них плещутся капли сверхтекучей жидкости. Эти капли — атомы, охлаждённые почти до абсолютного нуля и связанные в пары, как маленькие магнитики. Когда вся конструкция поворачивается, жидкость перетекает между лужицами. Достаточно просто посчитать, сколько капель оказалось в каждой, — и угол со скоростью поворота становятся известны.

Обычный дождемер собирает воду в ведро и показывает общий объём осадков. А новый прибор — как чуткая ладонь, ощущающая каждую упавшую каплю и ведущая им счёт, даже когда капель становится несколько тысяч. Именно такой прибор построили физики. Они научились точно подсчитывать фотоны — мельчайшие порции света — в очень слабых лазерных вспышках.

Два музыканта в разных комнатах играют одну ноту. Звук должен быть настолько одинаковым, чтобы слушатель не смог определить, кто играет. В квантовом мире роль таких музыкантов исполняют источники одиночных фотонов — частиц света, которые должны быть неотличимы друг от друга. Без этого не построить ни квантовый компьютер, ни защищённую сеть связи.

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.

Глубоко под японской горой Икено стоит цистерна с пятьюдесятью тысячами тонн чистейшей воды. В ней ловят нейтрино — частицы-призраки, которые прошивают Землю насквозь, почти не замечая её. Когда в нашей галактике взрывается звезда, нейтрино приходят первыми, за часы до света.

Металлическая игла опускается на кусочек сверхпроводника. Всё это происходит внутри холодильника, который остужает образец до 30 тысячных градуса выше абсолютного нуля — в сто раз холоднее, чем открытый космос. Через иглу пропускают слабый ток, и по тому, как электроны проходят сквозь крошечное пятнышко контакта, физики читают, что творится внутри материала.

Обычный световой микроскоп упирается в предел: он не различает две точки, если они ближе 200 нанометров — это примерно толщина мыльного пузыря, делённая на сотню. Чтобы заглянуть глубже, учёные заставляли молекулы в образце мигать или выцветать, но такие уловки медленные и вредят живым клеткам. Новый прибор — Structured Detection Microscope — поступает иначе.

Инфракрасный свет не виден глазу, но он повсюду: от пульта телевизора до тепла человеческого тела. Чтобы его поймать, нужны особые материалы. Обычные детекторы громоздкие, жёсткие и плохо настраиваются на нужную длину волны. Исследователи обратились к чёрному фосфору — слоистому материалу, который можно расщепить до плёнки толщиной в несколько атомов.

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.

Тонкий лист графина толщиной в несколько микрометров поместили в слабое магнитное поле — и он начал выталкивать его из себя, как губка выталкивает воду, если её сжать. Этот эффект, известный как эффект Мейснера, — фирменный признак сверхпроводника: материала, который проводит ток без потерь.

Электрический ток в сверхпроводнике похож на толпу, бегущую по коридору без трения. Но в сверхпроводниках второго рода есть препятствия — крошечные вихри магнитного поля, которые ток сдвигает с места. Сдвинулся вихрь — появилось сопротивление, и ток падает.

Тёмная материя — невидимая масса, гравитационно удерживающая галактики от разлёта. Её природа остаётся неизвестной, но один из наиболее вероятных кандидатов — аксион, сверхлёгкая частица, почти не взаимодействующая с обычным веществом. Чтобы зарегистрировать её, физики создали гибридную ловушку, сочетающую квантовую оптику и сверхпроводящую электронику.

Настройка радиоприёмника на любимую станцию — это поиск нужной частоты среди шума. Новый прибор делает то же самое, но для волн длиной около трёх миллиметров. Такие волны приходят из далёких галактик и, возможно, от частиц тёмной материи. Прибор — это узор из сверхпроводящих ниобиевых дорожек на кремниевой пластинке.

Радиоволны окружают нас, но глаз их не видит. Новый датчик размером с ноготь превращает их в цветное пятно на маленьком экране. Внутри чипа — слой жидких кристаллов, тех самых, что в экранах телефонов. Среди них вплетены тонкие ферромагнитные проволочки. Когда приходит радиоволна, проволочки быстро нагреваются. Тепло передаётся кристаллам, и те меняют расположение молекул.

Сверхпроводник — это материал, который при сильном охлаждении проводит ток без потерь, как вода течёт по идеально гладкой трубе. Но если ударить по нему короткой вспышкой света, он быстро теряет это свойство. В новом опыте учёные освещали тонкую плёнку нитрида ниобия и замеряли, за сколько миллиардных долей секунды исчезает сверхпроводимость.

В глубоком холоде, при температуре всего два градуса выше абсолютного нуля, медная полость размером с кастрюлю слушает тишину Вселенной. Эта полость — сердце прототипа детектора Supax, созданного для поиска аксионов: частиц, которые никто никогда не видел, но которые могут составлять невидимую тёмную материю, удерживающую галактики вместе.

Полупроводниковая плёнка толщиной в один атом — это аналог тонко натянутой мембраны. Под воздействием света она вспыхивает: в ней рождаются экситоны — связанные состояния электрона и дырки, которые ведут себя как светящиеся точки и быстро рекомбинируют, то есть гаснут.

Приёмник ловит не радиоволны, а субмиллиметровый свет — то, что излучают холодные облака газа и пыли в далёких галактиках. Внутри него стоит решётка из крошечных резонаторов, каждый настроен на свою частоту, как струны рояля на ноты. Такой прибор называется интегральным полевым спектрометром: он снимает сразу целую карту неба, раскладывая свет по цветам.

Тонкая плёнка из арсенида индия, лежащая на изолирующей подложке, ведёт себя как термос с двойными стенками: электроны внутри неё почти не отдают тепло окружающему кристаллу. В обычном металле электроны быстро обмениваются энергией с колебаниями атомов, поэтому их температура всегда близка к температуре образца.

Камера, которая снимает не свет, а поток электронов, отражённых от кристалла, — это гибридный пиксельный детектор. Он умеет считать каждый попавший в него электрон, почти не создавая собственного шума. В обычном режиме, когда пучок электронов льётся непрерывно, детектор работает отлично.

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.

Рентгеновский фотон влетает в датчик, как камешек в спокойную воду. Вода — это тонкая плёнка из алюминия и марганца, охлаждённая почти до абсолютного нуля. От удара по плёнке расходится волна тепла, и по её высоте можно понять, сколько энергии принёс фотон.

Рентгеновский аппарат в стоматологии делает один плоский снимок зуба. А если нужно увидеть внутренности микрочипа со всех сторон, приходится везти образец на синхротрон — ускоритель размером с футбольное поле.

Рентгеновский луч падает на кусочек сверхпроводника, и тот едва заметно теплеет. Этот нагрев в миллиардные доли градуса — единственный след, который оставляет свет. Новый детектор ловит именно его, как чуткий термометр, прижатый к холодному металлу. Внутри датчика — сверхпроводящая плёнка, работающая на грани потери сверхпроводимости.