сверхпроводящая щель

Два электрона, вылетевшие с кончика металлической иглы почти одновременно, начинают расталкиваться — это проявление кулоновского отталкивания одноимённых зарядов. Аналогия: два человека, которые одновременно протискиваются в узкую дверь: чем ближе они друг к другу, тем сильнее мешают.

Представьте почти пустой танцпол, где редкие посетители движутся каждый сам по себе — хаотично, без связи друг с другом. Но стоит включить определённую музыку и немного охладить зал, как танцоры вдруг выстраиваются в длинные цепочки и начинают двигаться в унисон. Примерно так ведут себя электроны в разрежённом трёхмерном газе.

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.

Ток без потерь — давняя мечта энергетики. Некоторые материалы становятся сверхпроводниками, но обычно лишь при экстремальном холоде. Недавно в семействе никелатов — соединений на основе никеля — обнаружили кандидатов, которые работают при более высоких температурах.

Тонкая плёнка особого кристалла — например, дисульфида молибдена — лежит на предметном столике. Температура чуть выше той, при которой материал становится сверхпроводником.

Сверхпроводимость часто представляют как застывший танец электронов: они объединяются в пары и движутся без сопротивления, словно фигуристы на идеальном льду. Но в высокотемпературных сверхпроводниках этот лёд оказывается не таким уж гладким.

Почти сорок лет высокотемпературная сверхпроводимость в купратах остаётся одной из глубочайших загадок физики конденсированного состояния. В обычных металлах электроны спариваются в куперовские пары благодаря колебаниям решётки, но здесь изотопический эффект крайне слаб.

Нейтронные звёзды — космические алхимические реторты: при сверхъядерных плотностях адроны плавятся в кварк-глюонную плазму (КГП), а в самом сердце, где давление достигает пика, рождается цветной сверхпроводник (ЦС).

Квантовый мир полон сюрпризов. В параметрическом осцилляторе Керра — устройстве, где свет заперт в кольце и раскачивается внешним полем, — недавно заметили странную вещь: пары энергетических уровней сливаются в объятиях. Физики назвали это «спектральным поцелуем» спектроскопия. Слияние уровней — признак квантового фазового перехода в возбуждённом состоянии.

Вселенная похожа на многослойный пирог, где наш слой — звёзды, планеты и люди — лишь один из многих. В соседнем слое, который физики называют скрытым сектором, кипят свои процессы. Эта работа рассказывает об одном таком процессе — фазовом переходе первого рода, когда вещество резко меняет состояние, как вода превращается в лёд.

В некоторых материалах электрический ток может течь без малейших потерь — это сверхпроводимость. Но перед тем как стать сверхпроводником, вещество часто проходит через странное состояние: электроны уже чувствуют друг друга и образуют пары, однако дружно двигаться ещё не могут.

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.

Внутри кристалла EuRbFe4As4 слои железа и мышьяка чередуются с прослойками европия и рубидия. При охлаждении ниже 15 Кельвинов (–258°C) атомы европия выстраивают свои магнитные моменты в спираль — каждый следующий слой повёрнут на 90 градусов, как ступеньки винтовой лестницы.

Многие чёрные дыры окружены магнитными полями. Вращаясь, дыра тянет за собой искривлённое пространство-время, словно маховик станка, и запускает космическую фабрику. Если магнитное поле наклонено к оси вращения, этот «конвейер» работает особенно эффективно: возникает электрическое поле невероятной мощи.

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.

Переполненный стадион: болельщики мечутся хаотично, создавая толчею и сопротивление. Так ведут себя электроны в обычном проводнике. При сверхпроводимости они объединяются в пары и движутся синхронно — как зрители, взявшиеся за руки и спокойно покидающие трибуны, без потерь энергии.

Танцевальная площадка полна пар, кружащихся в вальсе. Обычно партнёры движутся в противоположных направлениях: один делает шаг вперёд, другой — назад, чтобы сохранить общий ритм.

В сверхпроводнике электроны объединяются в пары, словно танцоры, взявшиеся за руки. Обычно расстояние между ними — размер пары — зависит от того, как быстро они движутся и насколько сильно связаны. Но иногда танцпол почти исчезает, и двигаться некуда. Такое случается в материалах с плоскими энергетическими зонами: здесь электроны почти замирают, и привычные правила перестают работать.

Очередь из людей, которые держатся за руки, но смотрят в разные стороны: одни — на север, другие — на юг. Так устроен p-волновой магнит. Электроны в нём выстраивают свои магнитные моменты (спины) не хаотично, а по строгому волнообразному узору.

В мире сверхпроводников электроны не любят одиночества. Обычно они объединяются в пары — куперовские пары — и движутся без сопротивления, как фигуристы, взявшись за руки. Но можно заставить их танцевать вчетвером. Авторы этой работы предлагают схему, где рождаются квартеты Купера — группы из четырёх электронов, обменивающихся партнёрами в быстром ритме.

Медный кристалл сжимают в алмазных тисках. Давление растёт, и внутри материала разворачивается борьба двух состояний: одно готовит электроны к сверхпроводимости, другое, наоборот, мешает им объединяться. Учёные следили за этой борьбой с помощью сверхкоротких лазерных вспышек.

Сверхпроводимость — это когда электрический ток течет без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Обычно она возникает при очень низких температурах, но есть материалы, где она появляется при более высоких.

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара рождаются и лопаются, но сама вода остаётся жидкостью. Похожее происходит в ультрахолодном атомном газе: атомы постоянно образуют пары и снова разлетаются, хотя сверхтекучесть ещё не наступила. Из-за этого в спектре частиц появляется «мёртвая зона» — псевдощель, где энергия не может принимать определённые значения.

В кристаллической решётке электроны иногда ведут себя подобно толпе на стадионе, порождающей «волну»: области с повышенной плотностью заряда чередуются с почти пустыми зонами. Эта волна, известная как волна зарядовой плотности, блокирует свободное движение носителей — при обычных условиях материал не является сверхпроводником.

В цепочке оптических ловушек, подобно линии прибрежных фортов, удерживаются атомы. Рядом с ними — квантовое море: конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние вещества с нулевым сопротивлением, где частицы движутся как единая волна.

Металл — это море электронов, которые движутся почти свободно, сталкиваясь лишь изредка. Но в некоторых материалах это море вдруг становится вязким и непредсказуемым: электроны перестают вести себя как независимые частицы. Физики называют такое состояние «не ферми-жидкостным», и оно до сих пор остаётся загадкой.

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.

Кристалл урана размером с рисовое зерно охладили до пятидесятой доли градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре тепло переносится не хаотично, а строго по правилам квантового мира. Учёные направляли тепло через образец и следили, как оно расходится по разным осям кристалла — это как проверять, куда быстрее растекается вода по складкам бумаги.

В кристаллической решётке селенида железа атомы железа и селена чередуются, как кирпичи в кладке. Но иногда в пустоты между ними забираются лишние атомы железа — как непрошеные гости, которые втискиваются в щели между кирпичами. Всего 3% таких «гостей» — и сверхпроводимость исчезает: материал перестаёт проводить ток без сопротивления.

Слоистые кристаллы купратов напоминают стопку блинов: каждый блин — плоскость из атомов меди и кислорода, а между ними — прослойки других элементов. Обычно сверхпроводимость изучают на всей стопке, где слои влияют друг на друга.

Обычный сверхпроводник работает только в морозильной камере природы — при температурах ниже минус ста градусов. Материал из углеродных шариков K₃C₆₀ не исключение: без холода он сопротивляется току, как толпа в узком коридоре. Но физики заметили странную вещь: если посветить на него лазером, он начинает проводить ток без потерь даже в тепле.

Классическая теория сверхпроводимости БКШ, разработанная Джоном Бардином, Леоном Купером и Робертом Шриффером, описывает механизм, при котором электроны объединяются в куперовские пары и движутся без сопротивления.

При температуре 4,3 градуса выше абсолютного нуля кристалл теллурида палладия перестает сопротивляться электрическому току. Электроны в нем объединяются в пары и движутся без потерь, как толпа, взявшаяся за руки. Но у этого сверхпроводника, похоже, не один, а два разных способа объединяться. Физики прижали к кристаллу тонкую иглу и измеряли, как ток проходит через контакт.

Танцоры держатся за руки и движутся в идеальной синхронности. В экситонном изоляторе электроны и дырки образуют связанные пары, которые конденсируются в единое квантовое состояние — как партнёры в танце, которые не сбиваются ни на шаг. Но что происходит, если один из них спотыкается?

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.