переохлаждение

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.

Вместо ледяной ванны — тёплая газовая рубашка. Именно так теперь охлаждают криогенный компаратор тока в Национальном метрологическом институте Японии. Раньше этот прибор, сверяющий электрические токи с точностью до миллиардных долей, требовал погружения в жидкий гелий. Сегодня он работает в замкнутом холодильнике, где его греет не жидкость, а газ.

Молекулы в ультрахолодном газе похожи на магнитики, которые притягиваются, когда находятся далеко, но при сближении могут слипнуться намертво. Такое слипание разрушает газ: частицы выбывают из игры, и до квантового порядка, где все они ведут себя как единое целое, добраться не удаётся. Физики из Принстона и Вены поставили между молекулами невидимый барьер, который не даёт им подойти слишком близко.

В недрах субнептунов — планет, которых в Галактике больше всего, но на которых нельзя стоять — силикатная магма и водород смешиваются в один сверхкритический коктейль. Раньше считалось, что под плотной водородной атмосферой лежит чёткая граница с расплавленным силикатом, как масло над водой.

Квантовая лаборатория похожа на кухню, где повар ждёт сутки, пока остынет плита. Сверхпроводящие кубиты работают только при температуре в сотые доли кельвина, и каждый цикл «охладить — измерить — согреть» съедает день. Группа инженеров построила холодильник размером с дыню и массой 3 кг, который справляется за два часа.

Внутри алмазной наковальни, сжимающей образец с силой, в миллионы раз превышающей атмосферное давление, тонкая плёнка лантана встречается с водородом. Водород поступает из аммиак-борана — порошка, который при нагреве отдаёт свой водород, как губка отдаёт воду.

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.

Квантовые компьютеры ошибаются. Каждый кубит — как шарик на кончике карандаша: чуть дрогнет рука, и он скатывается. Чтобы шарики не падали, нужен кто-то, кто заметит дрожание и вовремя поправит. В квантовых вычислениях эту работу делает декодер — программа, которая смотрит на результаты измерений и решает, где произошла ошибка. Snowflake — один из таких декодеров.

Тончайшую плёнку — тоньше человеческого волоса — из никелата лантана-стронция (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) поместили между алмазными наковальнями и начали сжимать.

Лазерный луч умеет не только нагревать, но и успокаивать движение. Когда свет попадает в ловушку из зеркал, он давит на них — и если правильно настроить цвет луча, давление превращается в мягкое торможение. Так охлаждают крошечные механические колебания почти до абсолютного нуля. Обычно для этого просто подбирают постоянный оттенок лазера и силу его свечения.

Кастрюля с очень густым и горячим клеем — примерно так выглядела ранняя Вселенная. Это был не обычный клей, а «глюонный суп»: частицы, переносящие сильное взаимодействие (глюоны), свободно носились в пространстве. Температура стояла такая высокая, что даже кварки и глюоны не слипались в протоны и нейтроны.

Кусок металла охлаждают до минус двухсот градусов, и электрический ток начинает бежать по нему без малейшего трения — как если бы вода в трубе текла, не касаясь стенок. Такое поведение называют сверхпроводимостью.

Тёмная материя — невидимый каркас, на котором держатся галактики. Но как именно она появилась? Стандартный ответ: частицы тёмной материи когда-то перестали сталкиваться и «застыли» в том количестве, которое мы видим сегодня. Однако есть и более хитрый путь — UFO, или сверхбыстрое застывание.

Обычно сверхпроводимость — это история про холод. Чем ниже температура, тем легче электронам объединиться в пары и течь без сопротивления. Но в новой работе физики вырастили тонкие плёнки никелатов с добавкой европия и увидели обратную картину.

Тонкая плёнка из оксида иттрия-бария-меди греется в потоке инфракрасных лучей — и вдруг перестаёт рассеивать энергию. Это сверхпроводимость: электроны объединяются в пары и движутся единым квантовым роем. Но в недодопированных образцах согласие нарушается задолго до того, как пары распадутся. Они уже есть, а общий ритм ещё нет.

Горячая жидкость течёт легко: молекулы носятся, сталкиваются и быстро находят новое место. Но стоит её переохладить — и всё меняется. Движение почти замирает, а вязкость взлетает до небес. Главный вопрос не в том, что частицы ленятся, а в том, куда им вообще двигаться. Авторы работы соединили две известные идеи.

Если сжать воду между двумя стёклами так, чтобы поместилось всего два слоя молекул, она превращается в нечто среднее между жидкостью и льдом. При комнатной температуре молекулы в такой ловушке ещё двигаются, но уже выстраиваются в подобие кристаллической решётки.

Два белых листа лежат на солнце — один шершавый, другой гладкий. Какой нагреется меньше? Шершавый рассеивает свет сильнее, и кажется, что он останется прохладнее. Но если покрытие состоит из множества прозрачных стеклянных шариков, логика меняется. Свет блуждает в нём, как в густом тумане, и в какой-то момент перестаёт замечать отдельные капли.

Бутерброд, где вместо хлеба — слои оксида меди, а между ними — тонкая прослойка ионов стронция. Это и есть бесконечнослойный купрат, самый простой вариант сверхпроводящей керамики, придуманный почти 40 лет назад. В нём есть всё необходимое для сверхпроводимости: ровные квадратные сетки из меди и кислорода, разделённые атомами-распорками.

Горячий чай в морозилке не сразу покрывается льдом. Сначала в нём мечутся крошечные ледяные иголочки — возникают и тают, пока температура не упадёт достаточно, чтобы лёд схватился намертво. Примерно так же вела себя ранняя Вселенная, когда остывала и меняла своё внутреннее устройство.

Чёрная дыра похожа на уголёк, который, как считалось, тлеет вечно, но в конце концов должен погаснуть — испариться без следа. Так предсказывал Стивен Хокинг: квантовые процессы у горизонта событий (границы, за которую не выходит даже свет) рождают слабое свечение, и дыра медленно теряет массу.

Переполненный зал, где танцоры скользят без малейшего трения — проходят друг сквозь друга, не задевая. Это сверхтекучая жидкость. В коре нейтронной звезды так могли бы вести себя нейтроны, но им мешает жёсткая решётка из ионов — будто танцпол внезапно утыкали частыми столбами. Обычно считалось, что решётка стоит мёртво, и сверхтекучесть почти исчезает.

Крошечный шарик массой в доли миллиграмма, подвешенный в магнитном поле и охлаждённый почти до абсолютного нуля, совершает колебания на протяжении 110 часов без остановки — это рекордный уровень изоляции от внешней среды.

Повар выливает горячий сахарный сироп на холодный стол, и тот застывает кристаллами. Примерно так инженеры представляли затвердевание металла: жидкость сразу становится россыпью кристаллических зёрен. Но съёмка крупным планом показала, что между жидким и твёрдым вклинивается ещё один этап.

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.

Плутоний — металл с характером. Одна его форма сжимается при охлаждении, другая — разбухает. Но при комнатной температуре сплав ведёт себя странно: линейка показывает одно, а рентгеновские лучи — другое. Линейка говорит, что образец почти не растёт, а рентген видит, как атомы в кристаллической решётке разъезжаются всё дальше. Куда исчезает лишний объём? Ответ, возможно, кроется в появлении невидимой фазы.

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.

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.

Нужно рассмотреть снежинку, не дав ей растаять и не повредив. Примерно такая задача стоит перед учёными, которые хотят изучать отдельные белки — крошечные молекулярные машины жизни. Белок в растворе постоянно дрожит и слипается с соседями, а в электронном микроскопе его разрушает луч.

Две крошечные пылинки парят в перекрестье лазерных лучей. Каждая удерживается своим «пинцетом» — сфокусированным лучом, который не даёт частице упасть. Внутри зеркальной полости свет мечется между стенками, и его колебания связаны с дрожанием пылинок. Обычно такие частицы непрерывно дрожат из-за теплового движения, и это дрожание мешает увидеть квантовые эффекты.

Обычная алюминиевая кастрюля на плите не испускает молекулы, которые можно поймать светом. Но если взять алюминий и соль алюминия, нагреть их вместе в маленькой печи, получится поток молекул фторида алюминия — как струя пара из носика чайника, только вместо капель воды летят крошечные частицы.

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.

В гелии, охлаждённом почти до абсолютного нуля, жидкость перестаёт тереться сама о себя и начинает течь без малейшего сопротивления. Физики запустили в такой сверхтекучий гелий крошечные полимерные шарики — от одного до шести микрометров, как бактерии, — и следили за их падением сквозь лазерную подсветку. Шарики светились, и их пути записывала камера.

Лазер обычно греет. Но в некоторых кристаллах свет может уносить тепло — как если бы чайник остывал от яркой лампы. В алмазе такую работу выполняют дефекты: места, где вместо углерода стоит атом азота, а рядом пустота. Спектроскопия показала, что при подсветке лазером с длиной волны чуть ниже резонансной дефект испускает свет с большей энергией, чем поглотил.

Вода — единственная распространённая жидкость, которая при остывании не сразу сжимается. Лёд тает, и вода становится плотнее, но только до 4 градусов Цельсия. Дальше, при дальнейшем охлаждении, она снова расширяется. Этот каприз объясняет, почему рыбы выживают в замерзающих прудах: самая плотная вода опускается на дно, а сверху остаётся более лёгкий холодный слой, который превращается в лёд.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро когда-то взорвавшейся звезды, сжатое до размера города. Если рядом есть обычная звезда, нейтронная звезда перетягивает с неё вещество, как пылесос. Это вещество падает на поверхность и образует корку — твёрдый слой из атомных ядер, богатых нейтронами.

Водород — чемпион по энергии на килограмм, но хранить его — морока. В виде газа он занимает огромный объём, а если сжать или охладить до жидкости, нужны тяжёлые баллоны и много энергии. Есть третий путь: некоторые твёрдые материалы впитывают водород, как губка впитывает воду, и держат его внутри себя. Нагрел — водород вышел, остудил — впитался обратно.

Лёд ускользает из-под конька, как кусок мыла в мокрых руках. Сто лет учёные спорили, откуда берётся эта скользкость. Одни говорили: сверху уже есть тонкий слой воды — он и служит смазкой. Другие возражали: вода появляется только когда начинаешь двигаться, от трения. В новом исследовании физики соединили оба подхода — и выяснили, кто прав.

Сверхпроводимость — это способность материала проводить электричество без потерь. Обычные провода греются, и часть энергии уходит в тепло, а сверхпроводник пропускает ток без сопротивления. Но до сих пор такое состояние удавалось получить лишь при очень низких температурах или под огромным давлением, что мешает применять его в быту.

Квантовые материалы — как капризные цветы: распускаются только в холоде. При комнатной температуре они прячут свои необычные свойства, а при сильном охлаждении становятся сверхпроводниками или меняют магнитное поведение. Чтобы понять, как они работают, нужно рассмотреть их атомы в том самом холоде, где эти свойства живут.