тепловой эффект Холла

Тонкий медный стержень длиной пятнадцать сантиметров медленно скользит поперёк невидимого магнитного пузыря, созданного парой катушек. В центре пузыря, где поле ровное и сильное, стрелка вольтметра стоит на нуле. Стоит сдвинуть стержень к краю, как стрелка оживает, растёт, достигает пика и затем плавно падает.

Если через два спаянных проводника пропустить электрический ток, место спая нагреется или остынет — это эффект Пельтье, на нём работают автомобильные холодильники.

В кастрюле с кипящим супом лёгкие крупинки жира всплывают наверх, а тяжёлые кусочки овощей оседают на дно. Аналогичная картина — гравитационное расслоение — наблюдается в разреженном горячем газе вокруг Солнца и других звёзд, но вместо бульона там смесь заряженных частиц: электронов, протонов и альфа-частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов).

Лист бумаги с магнитными свойствами — примерно так устроен новый материал 1T-CrS₂. Его слои скреплены слабыми силами, как страницы блокнота, но каждый слой — настоящий магнит. Причём магнит жёсткий: он сохраняет намагниченность поперёк слоёв и не теряет её даже при нагреве выше комнатной температуры. Вырастить такие кристаллы долго не удавалось.

Представьте квантовый фазовый переход как сложный танец. Электроны кружатся в строгом порядке, и каждое па — это их пространственное распределение, а ритм — динамика. Десятилетиями физики видели лишь смазанное движение, не в силах различить: меняются фигуры или ускоряется музыка.

В мире двумерных материалов порой рождаются состояния столь же необычные, как и хрупкие. Одно из них — дробный аномальный холловский кристалл (FAHC) — словно квантовый кентавр: наполовину упорядоченная решётка, наполовину топологическая жидкость.

От Солнца к Земле мчится солнечный ветер, но магнитосфера заворачивает поток и лепит из него плазменные хвосты. Тот же мотив — в сердце галактик: джеты из аккреционных дисков чёрных дыр закручены невидимой рукой магнитного поля. А теперь представьте дипольную реку внутри крошечного кристалла.

Представьте реку на перекате: поток ускоряется до того, что ни одна волна уже не пойдёт против течения. Так и газ у чёрной дыры: достигнув скорости звука, он запирает сам себя — рождается акустическая чёрная дыра, двойник гравитационной бездны. Здесь горизонт событий соткан из потока, быстрее собственного звука.

Космические лучи не летят по прямой. Заряженные частицы, разогнанные до огромных скоростей, петляют в магнитном поле Галактики, словно пылинки в потоке ветра. Обычно считается, что они просто рассеиваются вдоль и поперёк силовых линий.

Аккуратная стопка атомных слоёв лежит на подложке. Сверху падает невидимый луч терагерцового света, а сбоку приложено магнитное поле. Отразившись, луч чуть-чуть поворачивает свою поляризацию. Этот поворот — не дефект оптики, а прямое свидетельство: на поверхности плёнки скопился электрический заряд.

Кристалл теллура напоминает крошечную винтовую лестницу: атомы в нём закручены в спираль. Когда через такой кристалл бежит тепло, его переносят не электроны, а звуковые волны — колебания самой решётки. Эти волны не просто толкаются вперёд-назад, но ещё и вращаются вокруг своей оси, как запущенный волчок.

Если нагреть гвоздь в костре, он удлинится — это знает каждый. Но если нагреть только кончик, а другой оставить холодным, гвоздь не просто станет длиннее: он изогнётся, потому что горячий металл расширяется сильнее холодного. Именно этот изгиб, только на атомном уровне, физики превратили в электричество.

Два тонких слоя полупроводника повернули друг относительно друга на 2,29 градуса — как два листа прозрачной бумаги с нарисованными сетками. Там, где линии почти совпадают, возникает крупный узор из тёмных и светлых пятен. Электроны в этом узоре ведут себя совсем не так, как в обычном кристалле.

Литий-ионная батарея похожа на многоэтажный дом, где на каждом этаже живут ионы лития. Когда батарею заряжают, ионы переезжают с этажа на этаж, и весь дом немного нагревается. Обычно это тепло уходит равномерно, как от тёплого пола. Но иногда в одном месте становится слишком жарко — и тогда весь дом может вспыхнуть.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

Мозаичный пол из множества мелких плиток, повёрнутых в разные стороны. Казалось бы, любой узор, который пытается пройти сквозь такой пол, должен сбиться и исчезнуть. Именно так обычно думают о беспорядке в кристаллах: если атомы не выстроены в идеальную решётку, тонкие квантовые эффекты должны разрушиться.

В тонком канале полупроводника электроны ведут себя не как одиночки, а как толпа в час пик. Они то и дело сталкиваются друг с другом, и от этих столкновений зависит, насколько легко тепло и электрический ток проходят через материал. Обычно эти два потока идут рука об руку: хороший проводник электричества так же хорошо проводит тепло.

Лазер бьёт по кристаллу, и тот отвечает вспышками света — как колокол звенит в ответ на удар. Но если колокол тёплый, его звук дрожит и глохнет. Так и здесь: атомы кристалла постоянно дрожат от тепла, и эта дрожь мешает электронам лететь ровно, поэтому свет получается тусклым и смазанным. Учёные взяли кристалл Re6Se8Cl2 — вещество, где атомы собраны в крупные блоки, похожие на строительные кубики.

В кристалле-изоляторе тепло обычно распространяется от горячего конца к холодному. Но если включить магнитное поле, часть теплового потока заворачивает в сторону — как вода, которая, стекая с горки, слегка уходит вбок, когда её подталкивает ветер. Такое поведение называют тепловым эффектом Холла.

Представьте две пары качелей, раскачивающихся в противофазе: их усилия взаимно компенсируются, и площадка остаётся неподвижной. Но само движение рождает в воздухе невидимые вихри, способные толкнуть лежащий рядом мячик вбок.

Если толкать тепло через кусок кварца, оно обычно идёт прямо, как вода по трубе. Но стоит включить магнитное поле, и поток слегка сворачивает вбок — будто труба вдруг дала боковое ответвление. Такой эффект называют тепловым эффектом Холла, и до сих пор не было ясно, что именно заставляет тепло отклоняться: беспорядок в кристалле или что-то более фундаментальное.

Обычно ток в металле действует как кипяток на лёд: он нагревает материал и разрушает магнитный порядок. Но в слоистой структуре из дителлурида вольфрама и ферромагнетика Fe3GeTe2 ток ведёт себя иначе.

В тонком слое жидкого кристалла — вещества, которое течёт как жидкость, но молекулы в нём выстроены в порядке, как в твёрдом теле, — рождаются вихри размером меньше толщины человеческого волоса. Эти вихри похожи на крошечные волчки: они могут двигаться, не разрушаясь, и ведут себя почти как настоящие частицы.

Тонкий слой полупроводника при низкой температуре ведёт себя как кастрюля с мёдом: электроны в нём текут не поодиночке, а как густая жидкость. Если прогнать через такой слой переменный ток, сопротивление откликается плавной кривой. Добавь постоянный ток — и на этой кривой появляется провал, который становится глубже с силой тока.

Кристалл меняет свою внутреннюю геометрию, как каркас здания, который слегка перекашивается при землетрясении. В сплаве марганца и галлия (Mn₃Ga) при температуре около 485 Кельвинов (примерно 212°C) происходит магнитный переход: атомы выстраиваются в антиферромагнитный порядок, где соседние магнитные моменты направлены противоположно.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.

Два слоя магнитного материала, повёрнутые друг относительно друга на доли градуса, — как две слегка сдвинутые решётки на окне. В обычном состоянии они не создают ничего особенного, но при определённом угле поворота в материале возникает неожиданный эффект.

Особый материал — топологический изолятор — проводит электрический ток только по поверхности, а внутри остаётся идеальным изолятором. В нём проявляется квантовый эффект, родственный тому, что открыл Клаус фон Клитцинг, но математически он эквивалентен явлениям в четырёхмерном пространстве.

Кусок золота не притягивает скрепки. Но если взять тонкую плёнку из сплава гадолиния, золота и германия и начать её изгибать, в ней могут появиться магнитные области. Учёные сделали это не руками, а с помощью потока ионов гелия, который проникал в материал через узорчатую маску. Ионы гелия врезались в кристаллическую решётку и слегка растягивали её в одних местах сильнее, чем в других.

В обычном проводе тепло гонит электроны — это эффект Зеебека, знакомый по термопарам. Но в магнетиках всё хитрее: там носители тока имеют ещё и спин, то есть собственный «волчок».

Обычный лазер на свободных электронах похож на музыкальный инструмент с одной струной: он может играть только одну ноту, пока не изменишь его конструкцию. Чтобы получить другую длину волны, приходится перенастраивать магниты или разгонять электроны сильнее. Это дорого и громоздко.

Тонкая проволочка из кристалла α-Bi₄Br₄ — смесь висмута и брома — проводит ток не как обычный провод. Внутри неё электричество движется только по краям, словно вода по желобу, не задевая дно и стенки. Такое поведение называют топологической изоляцией: внутри материал не проводит, а по поверхности или краям электроны скользят без потерь.

Тонкая плёнка из соединения марганца, висмута и теллура похожа на слоёный пирог: каждый слой — атомная плоскость, а магнитные моменты внутри слоя выстроены, как стрелки компасов. При комнатной температуре эти стрелки держат строй, но стоит нагреть образец всего до 45°C — и порядок начинает расползаться.

Магнитный материал можно сравнить с толпой крошечных компасов. В обычном магните все стрелки смотрят в одну сторону, и повернуть их разом непросто. Физики нашли способ делать это с помощью электрического тока. Ток, проходя через тонкий слой хрома, создаёт поток орбитальных моментов — это как если бы каждый электрон, помимо своего заряда, нёс ещё и крошечное вращение вокруг атома.

В скрученных под определённым углом слоях теллурида молибдена электроны ведут себя необычно: они могут делиться на части. Это похоже на то, как если бы целый пирог вдруг начали резать на строго одинаковые дольки, хотя нож в руках один. В обычных материалах заряд электрона неделим, но в этих слоях при сильном охлаждении появляются состояния, где заряд дробится на три части.

В раскалённой плазме — газе из заряженных частиц — хаотичные электрические поля работают как своеобразное сито. Медленная частица окружает себя облаком частиц противоположного заряда — поляризационной «шубой», которая экранирует внешнее поле и не даёт ему воздействовать на частицу.

Температура в комнате падает на несколько градусов, пока холодильник работает без единого движущегося компрессора. Внутри — не фреон, а кусок металла, который то намагничивают, то размагничивают. Это принцип магнитного охлаждения: при наложении магнитного поля материал нагревается, а при снятии — остывает.