сверхпроводящий магнит

В большом зале два камертона стоят на поворотных подставках. Каждый настроен на свою ноту, но если подставки развернуть под нужным углом, камертоны начинают звучать в унисон, обмениваясь колебаниями через воздух. В эксперименте из лаборатории квантовых технологий роль камертонов сыграли две полоски из пермаллоя — сплава никеля и железа, который легко намагничивается и размагничивается.

Сверхпроводник напоминает оркестр, который играет без единой фальшивой ноты, пока дирижёр не повернёт ручку настройки. В новой работе такой ручкой оказалась магнитная история никелевых контактов. Учёные создали сверхпроводящие микромембраны из оксидов LaAlO3 и SrTiO3, где на границе двух материалов возникает тонкий слой свободных электронов — двумерный электронный газ.

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.

Представьте лестницу, перекладины которой — крошечные магнитики. Если соседние магнитики ориентированы противоположно (антипараллельно), лестница находится в «спокойном» состоянии. Но если заставить их выстроиться в одном направлении, вся конструкция намагнитится и станет «упрямой» — возникнет ферромагнитный порядок.

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.

Обычный проводник при прохождении тока нагревается — часть энергии рассеивается в виде тепла. Сверхпроводник лишён этого недостатка: электрический ток течёт по нему без потерь, как вода по идеально гладкой трубе.

Внутри магнита томографа ток течёт по замкнутому сверхпроводящему кольцу — как вода по кругу в ведре, которую закрутили и она бегает сама. Чтобы изменить этот ток, кольцо нагревают маленьким нагревателем: сверхпроводимость разрушается, материал переходит в нормальное состояние с электрическим сопротивлением, и тогда внешний источник…

Магнитное поле в этой установке должно быть исключительно однородным — ровным, как поверхность идеального стекла: малейшая рябь смажет полезный сигнал. Инженеры собрали две катушки, которые сами компенсируют поле друг друга снаружи, и упаковали их в три слоя ферромагнитных пластин.

Радиоприёмник размером с ладонь способен измерить мощность сигнала точнее дорогих лабораторных стендов. Внутри нет катушек и антенн — только стеклянная головка и облачко атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы парят в перекрестье лазерных лучей, удерживаемые не магнитами, а силой света — как мошка в капле сиропа.

Сверхпроводник напоминает идеальный провод — ток в нём течёт без потерь. Правда, для этого его приходится сильно охлаждать. Физики давно ищут материалы, которые становятся сверхпроводящими при температурах повыше. Один из путей — не ждать милостей от природы, а собирать материал самим, слой за слоем, как конструктор.

Паркет, где каждая вторая дощечка повёрнута в противоположную сторону, выглядит симметричным. Но если провести рукой, в одном направлении пальцы скользят по волокнам, а в другом — цепляются. Примерно так устроен новый тип магнетизма, который изучали в кристалле AgCrP2S6. В этом слоистом материале атомы хрома выстроены в длинные цепочки — как нитки бус.

Два листа селенида вольфрама — не углеродные, а из соединения вольфрама с селеном — поворачивают друг относительно друга на крошечный угол, около 5 градусов. Возникает муаровая картина: увеличенная периодическая решётка, где электроны ведут себя совсем иначе, чем в обычном кристалле. Недавно в таких скрученных слоях нашли сверхпроводимость.

Катушка Теслы потрескивает, и вокруг неё начинает вращаться луч света. Среда, через которую он проходит, ещё стабильна — но поле растёт, и вращение усиливается. Это не фокус, а поведение особых материалов: они связывают электричество и магнетизм. Для такой связи есть фундаментальный предел — предел Теллегена.

Сверхпроводник обычно не дружит с магнитом: сильное поле разрушает состояние, в котором ток течёт без сопротивления. Но в тонких слоях углерода всё иначе.

Десятки медных катушек в томографе ловят слабый отклик от тканей — как микрофоны, пытающиеся расслышать шёпот в шумном зале. Каждый микрофон тянет за собой толстый жгут проводов. Провода давят друг на друга, создают электрические помехи, греются и добавляют риск для пациента. Группа исследователей предложила заменить медный «клубок» на оптические волокна.

Магнитное поле удерживает микроскопическую частицу в подвешенном состоянии, словно невидимый партнёр в танце. Особая конфигурация поля формирует ловушку с двумя устойчивыми «позициями» — потенциальными ямами. В классической физике танцор занимает лишь одну из них, но в квантовом мире частица способна находиться в обеих одновременно — это явление называется квантовой суперпозицией.

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.

Внутри кристалла разворачивается незримый балет: магнитные моменты атомов, словно танцоры, то выстраиваются в унисон, то рассыпаются в противофазе. Хореографию диктует квантовый обмен — музыка, чуткая к геометрии связей. Согласно правилам Гуденафа–Канамори–Андерсона, угол M–X–M между магнитным ионом, лигандом и соседним магнитным ионом определяет, смотрят ли спины в одну сторону или врассыпную.

Узкая длинная сковорода — и тонкий блин застывает на ней неровными полосами. Десятилетиями ученые видели похожую картину, когда моделировали поведение электронов в сверхпроводниках — материалах, проводящих ток без потерь. Они использовали вытянутые «цилиндры», и результат всегда был один: жесткие магнитные «полосы», которые, как считалось, мешают сверхпроводимости.

Два магнита на столе либо притягиваются, либо отталкиваются — смотря как повёрнуты их полюса. Внутри каждого кусочка прячутся крошечные области, где все магнитные стрелки смотрят в одну сторону. Эти области называют доменами, и от их расположения зависит, как материал поведёт себя в электрической цепи. У альтермагнетиков — нового класса веществ — домены устроены хитрее.

В магнитной ловушке парит микроскопический магнит — его намагниченная ось зафиксирована, подобно стрелке компаса, которой не дают повернуться. Перед ней вырастает энергетический барьер — невидимая стена. Но в квантовом мире частицы способны просачиваться сквозь преграды: это явление называют туннелированием.

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

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.

Два тонких, как бумага, листа полупроводника накладывают друг на друга и слегка поворачивают — градуса на три-четыре. Атомные решётки не совпадают, и возникает крупный узор — муар, похожий на рябь от двух стиральных досок, сдвинутых на малый угол. В этом узоре электроны движутся совсем не так, как в обычном кристалле.

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.

Ткань, которая тянется только вдоль, но не поперёк. Примерно так устроен полудираковский материал: в нём электроны могут свободно двигаться в одном направлении, а в другом — почти не сдвигаются с места. Из-за этой необычной анизотропии на краях двумерного кристалла возникают особые дорожки — одномерные каналы. По ним электроны бегут только вдоль периметра, словно вода по жёлобу.

Обычные магнитные измерения видят только поверхность сверхпроводника, где мешают барьеры и вязкие потоки магнитного поля. Внутри же, в так называемом промежуточном состоянии, сосуществуют сверхпроводящие и нормальные домены, разделённые тонкими стенками. Эти стенки могут колебаться, но услышать их напрямую было трудно.

Барабанщик отбивает ритм, и кожа барабана колеблется в такт. Если ударять достаточно часто, колебания накладываются, и в центре возникает почти неподвижная зона — узел. Похожий эффект возникает с микроволнами в материале, свойства которого меняются во времени. Когда изменения попадают в резонанс с волной, её движение замирает.

Среди магнитов есть тихие мастера перевоплощений. Обычный магнит притягивает скрепки и имеет два полюса — север и юг. А есть материалы, которые внутри устроены как магнитная шахматная доска: их атомы выстроены в строгом порядке, но снаружи материал ведёт себя нейтрально, как будто магнита нет вовсе. Такие вещества называют альтермагнетиками.

Обычный магнит на холодильнике притягивает железо, потому что внутри него все крошечные магнитные стрелки выстроены в одном направлении. Но есть материалы, где стрелки выстраиваются хитрее: соседние ряды смотрят в противоположные стороны, и снаружи кажется, что магнетизма нет. Такие материалы назвали альтермагнетиками.

Два сверхпроводящих берега соединяет мост из магнитного материала. Внутри моста — доменная стенка: узкая граница, где намагниченность разворачивается, как строй солдат, меняющий направление шага. Ток, текущий через такой мост, ведёт себя не как спокойная река, а как поток, огибающий препятствие: он закручивается в петли и меняет силу.

В крошечной магнитной точке, размером меньше микрона, живёт вихрь — намагниченность закручена, как вода в воронке. В центре этой воронки — сердцевина, которая сама вращается по маленькой орбите, будто юла, которую подтолкнули. Если на такую точку направить микроволновый сигнал, вихрь откликнется колебаниями на одной частоте — как струна, задетая смычком.

Восемь красных гигантов — раздувшихся старых звёзд вроде будущего нашего Солнца — ведут себя не по нотам. Их поверхность мерно колеблется, как колокол, но в этом звоне слышны сбои: часть тонов пропадает, а ритм ломается. Учёные заподозрили, что внутри прячется невидимая рука — магнитное поле, и попытались вычислить его силу.

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.

Магнитная стрелка компаса поворачивается медленно, но внутри некоторых материалов крошечные магнитные моменты способны разворачиваться за времена, которые трудно вообразить. Группа физиков рассчитала, как заставить их менять направление за миллионную долю миллиардной доли секунды. Это быстрее, чем мигает лампочка.

Электронный пучок в ускорителе похож на стаю птиц: летит плотной группой, но со временем разлетается. Чтобы удержать частицы вместе, обычно ставят тяжёлые магниты. Здесь обошлись без них — пучок сам себя сжал. В эксперименте на установке FACET-II пучок из 10 миллиардов электронов (заряд 1 нКл) с энергией 10 ГэВ пропустили через стопку тонких металлических фольг.

Сверхпроводник — это материал, который проводит ток без потерь, но только при очень низкой температуре. На такой материал положили плёнку магнитного вещества толщиной в один атом. Магнетизм и сверхпроводимость обычно не дружат, и физики надеялись увидеть что-то необычное на границе двух материалов.

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.

Крошечный сверхпроводник, парящий над магнитом благодаря эффекту Мейснера, — это пробка на поверхности невидимого океана. Малейшее дуновение тёмной материи — гипотетической формы материи, не испускающей электромагнитного излучения — заставляет его вздрагивать. Учёные рассмотрели два вида такого «ветра».

В кристалле из европия, цинка и фосфора ток ведёт себя как машина на ухабистой дороге. Электроны не бегут свободно, а тащат за собой магнитные облачка — поляроны. При комнатной температуре эти облачка разрознены, но при охлаждении сливаются в сплошную массу, из-за чего ток резко замедляется.