термодинамическая устойчивость

Тонкая плёнка никелата неодима толщиной в пятнадцать нанометров лежит на подложке из галлата неодима. При температуре ниже ста восьмидесяти кельвинов она ведёт себя как изолятор: электроны заперты в своих атомных ячейках и не могут свободно двигаться.

Переводчик, который заранее выучил все реплики, отвечает мгновенно — ему не нужно слушать весь разговор заново. Так и новая модель: она не гоняет атомы в компьютере часами, а сразу выдаёт свободную энергию кристалла при любой температуре и давлении.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

Согнуть лист бумаги легко. А вот сжать его, толкая с краю, — совсем другое дело: бумага изомнётся, но почти не передаст усилие дальше. Так работает обычная упругость — деформация зависит от того, куда и как надавить. Новая трёхмерная решётка доводит этот контраст до предела.

Представьте прослушивание в симфонический оркестр, где из сотен претендентов остаются лишь те, чьи инструменты звучат чисто и выдерживают яростное крещендо. В мире материалов компьютеры научились генерировать «атомные партитуры» — тысячи виртуальных кристаллов, обещающих стать основой для квантовых чипов или сверхпроводников.

Брошенный в чай кусочек сахара растворяется, и вскоре вся жидкость становится одинаково сладкой. Этот путь к равновесию настолько привычен, что кажется очевидным. Но если заглянуть в мир атомов, где всё подчиняется квантовой механике, картина размывается: частицы запутанно колеблются, а тепло и холод — лишь усреднённые ощущения от миллиардов отдельных движений.

Тепло окружает нас повсюду: от выхлопной трубы автомобиля до корпуса работающего ноутбука. Превратить это бросовое тепло в электричество могли бы термоэлектрические материалы.

Резиновая лента, которая становится тем толще, чем сильнее её тянешь. В электричестве такое поведение называют отрицательной ёмкостью: чем больше заряда накапливается на обкладках, тем меньше напряжение. Обычный конденсатор работает наоборот — напряжение растёт вместе с зарядом.

В кастрюле с кипящим супом время от времени вспыхивают крошечные капли жира — в сотню раз горячее бульона. Примерно так устроена будущая термоядерная плазма: основная масса ионов греется до сотен миллионов градусов, а небольшая примесь «быстрых» частиц (рождённых при слиянии ядер) разогнана ещё сильнее.

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.

В твёрдом куске сплава олова и свинца слои двух металлов лежат, как страницы в книге. При нагреве с одной стороны слои плавятся не равномерно, а причудливыми языками и пальцами. Учёные изучили этот процесс на прозрачном сплаве, который под микроскопом виден насквозь, и сравнили с компьютерной моделью.

Кристалл, который обещал проводить ток без потерь при комнатной температуре, оказался похож на карточный домик: тронь — рассыплется. Два соединения — с серебром и с золотом — считались кандидатами в сверхпроводники, но проверка показала, что оба не выдерживают даже обычных условий. В серебряном варианте решётка просто схлопывается.

На Большом адронном коллайдере сталкиваются не только ядра, но и отдельные протоны. Даже в таких маленьких системах наблюдается коллективное поведение, похожее на течение жидкости. Но протон — квантовый объект, его состояние описывается волновой функцией, а не температурой и давлением.

Вода может быть льдом, жидкостью или паром. Физики называют такие состояния фазами. В теории у каждой фазы есть своя мера — способ описать, насколько она вероятна. Но не всякая мера, которую можно вообразить, встречается в природе. Одни фазы настоящие, а другие — лишь математическая иллюзия. Учёные нашли простой признак, который отделяет реальность от миража.

Квантовая система может обладать свойством, которое называют магией. Это не фокусы, а мера того, насколько трудно воспроизвести её поведение на обычном компьютере. Обычные состояния — их называют стабилизаторными — компьютер считает легко. А вот состояния с магией ставят его в тупик. Проблема в том, что проверить, есть ли магия, обычно значит измерить систему вдоль и поперёк — трудоёмко и дорого.

Атомные часы — это маятник, который тикает с частотой света. Внутри ловушки висит ион алюминия, и лазер щупает его, как камертон. Если частота лазера совпадает с собственной частотой атома, тот откликается. По этому отклику и сверяют ход часов. Долгое время расчёты точности велись так, будто у атома есть только два состояния: основное и возбуждённое.

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.

Летящая комета — это гора льда и пыли, которая сама несётся сквозь Солнечную систему. Если на такой горе поставить маленькие двигатели, она превратится в корабль с готовым топливом: газ из недр можно выпускать через сопла и менять курс. Но удержать такую махину на нужной траектории — всё равно что вести по канату гружёный воз, который ещё и крутится.

Гибкую полимерную нить, замкнутую в кольцо, поместили в микроскопический объём с жидкостью. Такая система способна либо поглощать воду и набухать, подобно губке, либо выталкивать влагу и сжиматься в плотный клубок. Переключение между этими состояниями определяется наличием и типом узла на нити.

Тонкая плёнка полупроводника толщиной в один атом напоминает коммунальную квартиру: в ней живут отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные «дырки».

Солнечная панель на крыше утром даёт мало тока, в полдень — много, а ночью молчит. Ветер тоже дует не как попало: утром и вечером часто сильнее, чем днём. Энергетикам нужно знать заранее, сколько энергии будет через час или три, чтобы вовремя включать резервные станции или запасать электричество в батареях.

Металлический сплав похож на коктейль: смешали несколько элементов — и получили материал с новыми свойствами. Но если бармен пробует напиток на вкус, то инженерам нужно заранее знать, как сплав поведёт себя в работе. Например, выдержит ли он высокую температуру и не потеряет ли способность проводить ток.

Горячий кофе остывает, излучая невидимый свет — инфракрасные фотоны. Чтобы температура оставалась постоянной, чашка должна получать ровно столько же фотонов обратно. Этот безмолвный обмен фотонами — то, что мы ощущаем как устойчивое тепло.

Тонкая плёнка из оксида металла лежит на поверхности с крошечной ямкой. Если плёнку чуть сжать с боков, она не сомнётся, а выгнется вниз в ямку или вверх горбиком. Оба положения устойчивы — как крышка от консервной банки, которая либо вогнута, либо выпукла, и сама не скачет туда-сюда.

В морозильной камере обычная вода превращается в лёд, но в живых клетках такой лёд — катастрофа: острые кристаллы разрывают мембраны, как иглы воздушный шарик. Учёные, которые сохраняют клетки для медицины, научились избегать этой беды, но каждый метод говорит на своём языке. В новой работе предложен общий словарь — термодинамика.

Вода в стакане успокаивается, если перестать её мешать. Масло в двигателе гасит вибрации. Кажется, вязкость — это всегда про затухание. Но в некоторых потоках всё наоборот: добавь трения — и волны начинают расти, как будто из ниоткуда. Физики нашли простое объяснение. У таких систем есть скрытый запас энергии, запертый особой симметрией — она называется PT-симметрией.

Кирпичи разных размеров, уложенные в одну стену, оставляют в ней трещины. Примерно так же ведут себя атомы в жаропрочных сплавах: когда два разных металла образуют общую кристаллическую решётку, а их атомы чуть различаются по размеру, внутри материала появляется напряжение. Оно накапливается и в итоге разрушает сплав при нагреве.

Квантовые компьютеры опираются на ГКП-состояния (состояния Готтесмана–Китаева–Прескилла), предложенные Алексеем Китаевым, Джоном Прескиллом и Дэниелом Готтесманом.

Мозаика Пенроуза — это покрытие плоскости двумя типами плиток, которое никогда не повторяется, создавая апериодический узор. Открытая Роджером Пенроузом как математический курьёз, она неожиданно нашла физическое воплощение в квантовом мире.

Квантовая запутанность — хрупкий ресурс. Нагрейте систему, и тепловые флуктуации разорвут тонкие нити корреляций: при достаточно высокой, но конечной температуре гиббсовское состояние локального гамильтониана становится сепарабельным, то есть представимым как вероятностная смесь произведений локальных состояний.