сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор

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.

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.

Мост, по которому пешеходы и велосипедисты движутся в одном потоке, не мешая друг другу. Примерно так работают гибридные системы из сверхпроводников и полупроводников: одни переносят ток без потерь, другие управляют этим током. Но чтобы построить такой мост, нужен сверхпроводник, который не боится сильного магнитного поля и не разрушает хрупкую полупроводниковую основу при изготовлении.

В тёмной комнате едва слышен шёпот. Чтобы разобрать слова, нужно подойти вплотную — или расставить много чувствительных микрофонов. Примерно так рассуждают авторы новой работы: они размещают квантовые «уши» прямо внутри резонатора, где высокочастотная гравитационная волна превращается в электромагнитное эхо.

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.

Тёмная материя — невидимая субстанция, чья гравитация удерживает галактики от разлёта, — до сих пор ускользает от прямого наблюдения. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из аксионов — гипотетических очень лёгких частиц, предсказанных теорией.

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 проникает в сверхпроводник не сплошным потоком, а тонкими нитями — вихрями. Обычно они отталкиваются и выстраиваются в ровную треугольную решётку, как поплавки на воде. Но в CaSb₂ всё пошло иначе: вихри сбились в тесные кучи, а между ними — почти пусто. Каждый вихрь — это крошечная трубка, где сверхпроводимость разрушена, а внутри течёт незатухающий ток.

Физики пытаются услышать шёпот в шумной комнате. Они строят звуконепроницаемую кабинку, но даже в ней собственное дыхание и биение сердца создают помехи. Примерно так же ищут признаки квантовой гравитации: хотят увидеть, как сила тяжести связывает две частицы в единое целое — запутывает их. Частицы помещают в вакуум и закрывают проводящим экраном, чтобы убрать электрические силы.

Сверхтекучий газ ведёт себя как жидкость без трения. Два облака такого газа соединяются узким мостиком, и через него течёт поток частиц. Это напоминает эффект Джозефсона в сверхпроводниках, только вместо электронов — нейтральные атомы.

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.

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.

Шёпот в шумной комнате почти неразличим. Обычный усилитель добавит свой шум и заглушит слабый звук. Квантовый усилитель работает иначе: он усиливает сигнал, почти не добавляя лишнего шума, как идеальное ухо. Но даже у такого уха есть свои проблемы.

Вода в чайнике закипает при ста градусах, но если её сильно сжать, она поведёт себя иначе. Примерно так же кварки и глюоны — кирпичики, из которых сложены протоны и нейтроны, — меняют свои свойства в сильном магнитном поле.

Силовой транзистор на карбиде кремния работает под напряжением, которое в тысячи раз выше розеточного. Если внутри него поле распределится неравномерно, прибор сгорит. Раньше увидеть это поле не могли: оно слишком сильное для обычных датчиков, а прибор при этом должен оставаться под напряжением.

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.

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.

Магнитный шарик висит в пустоте над холодной металлической пластиной. Ни нитей, ни подставок — только невидимое поле сверхпроводника не даёт ему упасть. Если слегка толкнуть шар, он начнёт колебаться вверх-вниз, и частота этих колебаний зависит от того, насколько сильно его притягивает пластина. Так устроен новый датчик силы.

Солнечный свет падает на крышу, и в тонкой плёнке рождаются электроны. Они должны успеть добежать до проводов, пока не остыли и не растеряли энергию. В сульфиде олова — дешёвом и доступном материале для батарей — этот бег и остывание удалось снять с невиданной резкостью: кадры следуют через миллиардные доли миллиардной доли секунды.

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.

Квантовые компьютеры обещают точно описывать молекулы, но их главная беда — шум. Каждый лишний кубит и каждая лишняя операция добавляют ошибки. Химики и физики придумали способ считать молекулы с половинным числом кубитов: метод HSQD. Он берёт квантовую выборку — как пробу грунта из скважины — и передаёт её классическому компьютеру для точной обработки.

Обычный выключатель щёлкает — и ток либо идёт, либо нет. А теперь материал, который сам переключается между «проводит без потерь» и «сопротивляется» под действием магнита. Именно такой бутерброд собрали физики: тонкая плёнка свинца лежит на сверхпроводнике из висмута, стронция, кальция, меди и кислорода. Между слоями сам собой вырос тончайший слой оксида свинца — изолятор.

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.

Сверхпроводящий детектор одиночных фотонов похож на струну, натянутую в темноте. Когда на неё попадает один-единственный фотон, струна на мгновение теряет сверхпроводимость — и мы слышим щелчок. Но до сих пор струна всегда была расстроена: детектор работал хуже, чем позволял материал.

Две звезды кружатся так близко, что их внешние слои сливаются в общую оболочку. Вещество перетекает с одной на другую, как вода из переполненной чашки в соседнюю. В этом космическом танце, где звёзды буквально касаются друг друга, астрономы впервые массово обнаружили магнитные поля. Учёные навели телескоп с поляриметром HARPSpol на 14 систем, где звёзды обмениваются веществом.

В тёмной комнате крошечный алмаз светится красным, когда на него попадает зелёный лазер. Этот свет — не украшение, а сигнал: яркость меняется, если рядом есть магнитное поле. В алмазе сидят дефекты — атомы азота с пустой соседней ячейкой. Они как чувствительные стрелки, которые поворачиваются под действием магнита.

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.

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.

Согласно теории Эйнштейна, вращение Земли увлекает за собой само пространство-время — этот эффект известен как увлечение инерциальных систем отсчёта, или эффект Лензе — Тирринга. Представьте: массивное тело, словно ложка в густом мёде, закручивает вокруг себя ткань пространства-времени.

Пропустите ток через контакт сверхпроводника с ферромагнетиком, и вы услышите шёпот квантового мира. В лаборатории при 0,3 К этот шёпот превратился в рёв: дробовой шум — электрический шум из-за дискретности заряда — оказался в сто раз громче, чем допускает теория для обычных контактов.

В Jefferson Lab электроны разгоняются до 12 ГэВ и врезаются в протоны, чтобы выпытать их секреты. Но существующие детекторы похожи на фотокамеры с узким полем зрения: либо видно много, но тускло, либо ярко, но крошечный кусочек. Электронное рассеяние — главный инструмент, но статистики не хватает для тонких эффектов.