топологическая сверхпроводимость

В сверхпроводнике, где электроны движутся парами без сопротивления, по краям могут бежать особые волны — как рябь вдоль кромки ковра. Эти краевые моды — важная характеристика материала, но измерить их число напрямую трудно. Учёные предложили хитрый инструмент: подвижную стенку внутри сверхпроводника, которая разделяет области с разным «закручиванием» электронных пар — так называемым киральным параметром порядка.

Графен — двумерный кристалл углерода толщиной в один атом — способен менять свои магнитные свойства подобно тому, как вода меняет агрегатное состояние: то течёт жидкостью, то застывает льдом.

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.

В кристалле электроны распределены не как попало. Их волны подчиняются симметрии решётки — как рябь на воде приобретает форму брошенного в неё обруча. Новая работа показывает: в точках высокой симметрии эта рябь обязана иметь узлы — места, где электронная плотность строго равна нулю.

Мозаика из квадратов и треугольников покрывает пол без щелей, но не складывается в простой повторяющийся рисунок. Такой узор — это квазикристалл, твердое тело, где атомы расставлены не периодически, а по рисунку из нескольких волн разной длины. Волны эти несоизмеримы друг с другом, и вместе они создают дальний порядок.

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.

После Большого взрыва, согласно инфляционной космологии, Вселенная пережила стремительное расширение и серию фазовых переходов. В этот период, как полагают теоретики, в ткани пространства-времени могли застыть топологические дефекты — космические струны, доменные стенки, монополи.

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

Создание квантового компьютера, способного решать задачи, недоступные классическим машинам, требует надёжных кубитов. Одна из самых элегантных идей — использовать в качестве кубитов майорановские нуль-моды: призрачные возбуждения, которые помнят свои запутанные пути и не сбиваются от теплового шума.

Тонкая магнитная плёнка похожа на строй солдатиков с крошечными магнитными стрелками. В плоском мире тепловые толчки быстро сбивают этот строй — малейший нагрев разрушает порядок. Так работает запрет Мермина–Вагнера: в двух измерениях непрерывная симметрия не выживает при конечной температуре.

Топологическая сверхпроводящая нанопроволока — словно мост, на концах которого дежурят два неразлучных стража, майорановские моды. Эти экзотические квазичастицы, предсказанные ещё в 1930-х, обещают стать фундаментом квантового компьютера, неподвластного ошибкам. Но реальный мир полон шума: любое измерение или утечка частиц грозят разорвать хрупкую связь.

Лист резины сжимают с двух сторон. На первый взгляд — обычная деформация. Но внутри, в глубине материала, пробуждается скрытый порядок. Это не просто складки на поверхности. Это рождение особых зон, где вибрации оказываются запертыми, словно в ловушке. Раньше считалось, что такие эффекты требуют хитроумных решёток и периодических структур.

В бассейне вода обычно разбегается кругами от брошенного камня. Но если направить поток строго вдоль бортика, она побежит только по краю. Нечто подобное заметили в кусочках сверхпроводящего кристалла FeTe0.55Se0.45. Когда измеряли сопротивление, выяснилось: ток идёт не сквозь весь кристалл, а только по его острой, идеально ровной границе — словно по невидимому желобу.

Вы ищете тихую комнату для важного разговора. Заходите в помещение — и слышите тишину. Но стоит приглядеться, как выясняется: в одном углу просто сломана вентиляция, а в другом — провал в полу, который гасит звук. Примерно так же физики охотятся за майорановскими нулевыми модами — особыми возбуждениями в сверхпроводниках, которые могут стать идеальными ячейками для квантовых вычислений.

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.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так работает обычная квантовая механика: частица эволюционирует во времени, а пространство служит сценой. Но что, если поменять их ролями? Тогда частица «идёт» по пространству, а время становится неподвижным фоном.

Кристалл похож на строй солдат на плацу: каждый атом на своём месте, и электроны маршируют по нему ровными волнами. Аморфный материал — это толпа на вокзале, где никакого порядка нет, одна сплошная толчея. В такой толпе электрон обычно быстро застревает, словно человек, пытающийся пройти сквозь плотную массу людей.

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.

Бросьте на стол десяток монет. Комбинаций орлов и решек наберётся чуть больше тысячи. Для двух десятков монет — уже миллион. Число растёт как 2 в степени количества монет, и это быстро. Но квантовые системы устроены гораздо богаче. Каждая частица здесь — не монета с двумя сторонами, а стрелка, способная указывать в любом направлении.

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.

Капля чернил падает в стакан воды — и через минуту уже не скажешь, куда именно она попала. В квантовом мире всё ещё драматичнее: информация о локальном событии разбегается по всей системе так быстро, что любой точечный датчик скоро перестаёт что-либо чувствовать. Это называют делокализацией — и для квантовых сенсоров она звучит как приговор. Но физики нашли лазейку.

Слои тонкого материала, повёрнутые друг относительно друга, напоминают наложенные друг на друга сетки. В местах пересечения линий возникает новый узор — муар. В этом узоре электроны движутся иначе, чем в обычном кристалле, и могут образовывать неожиданные состояния. В новой работе исследователи взяли два слоя теллурида молибдена и повернули их на 4,8 градуса.

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.

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.

Тонкая проволока из нового материала проводит электричество без потерь, если её остудить до трёх градусов выше абсолютного нуля. Это как вода, которая течёт по трубе, не встречая трения о стенки. Материал называется PtPb3Bi, и его особенность — внутреннее устройство, похожее на пучок нитей: электроны свободно бегут вдоль нити, но с трудом перескакивают между нитями.

Сверхпроводник похож на город, где электрический ток течёт без светофоров и пробок. Но у кристалла UTe2 есть особенность: его поверхность живёт по другим правилам, чем внутренность. На атомах теллура, которые сидят на поверхности, электроны нашли себе «лазейку» — состояния с такими энергиями, которые внутри кристалла запрещены.

Два одинаковых автомобиля сходят с одного конвейера. Кузов, колёса, руль — всё совпадает. Только в одном стоит обычный бензиновый мотор, а в другом — гибридный, который можно подстраивать под дорогу. И вот гибрид глохнет через пару километров, а бензиновый едет десятки. Примерно так обстоят дела с двумя типами сверхпроводящих кубитов — строительных блоков квантового компьютера.

Согласно теориям, выходящим за рамки Стандартной модели — нашего лучшего описания элементарных частиц и их взаимодействий, — в первые мгновения после Большого взрыва рождались пары магнитных монополей. Это гипотетические частицы, несущие только один магнитный полюс — «север» или «юг», в отличие от привычных магнитов, где полюса неразлучны.

Обычный сверхпроводник работает как идеальный провод: электроны объединяются в пары и бегут без сопротивления. В новом материале TaPtSi пары устроены иначе — их внутренняя симметрия перекошена, и при охлаждении ниже критической температуры внутри кристалла сами собой возникают крошечные магнитные поля.

В тонкой плёнке сверхпроводника время от времени появляются всплески электрического тока. Они похожи на отпечатки пальцев, но чьи — не сразу понятно. Одни оставляют загадочные частицы, которые могут стать основой надёжного квантового компьютера. Другие — просто неровности материала, пустышки.

Сверхпроводник — это материал, который при очень низкой температуре проводит электричество без потерь: электроны движутся, не расталкиваясь, как толпа, идущая по идеально ровному коридору. Но стоит включить сильное магнитное поле, и внутри сверхпроводника появляются вихри — крошечные области, где сверхпроводимость исчезает.

Свет обычно летит прямо, как луч фонарика. Но его можно закрутить, как воду в воронке, — тогда в луче появляется вихрь. Такой закрученный свет способен переносить больше данных: разные вихри не мешают друг другу, как разные радиоканалы. Проблема была в том, чтобы сделать источник такого света достаточно маленьким для чипа.

Жидкий гелий, охлаждённый почти до абсолютного нуля, ведёт себя как две жидкости сразу: обычная вязкая часть и сверхтекучая, которая течёт без трения. Когда такой поток наталкивается на цилиндр, позади него рождаются вихри. Но иногда вихри появляются и перед цилиндром — там, где по классическим законам их быть не должно.

В сверхпроводнике электроны движутся парами, как пары в танце. Обычно через контакт между двумя сверхпроводниками проходит одна пара за раз. Но если добавить третий контакт, танец усложняется: две пары могут двигаться вместе, образуя четверку. Именно такой четверной резонанс впервые увидели в графеновом переходе с тремя выводами.

Обычный провод на высоких частотах похож на дорогу с ямами: сигнал прыгает, часть энергии уходит в тепло. Сверхпроводящая цепочка из алюминия и арсенида индия (полупроводника) оказалась гладкой трассой для микроволн. В цепочке много одинаковых звеньев — джозефсоновских контактов, где ток течёт без сопротивления благодаря квантовым парам электронов.

В сердце сверхпроводника электроны сливаются в куперовские пары и движутся без сопротивления. Но если в этом идеальном порядке возникает вихрь — крошечная область, где сверхпроводимость исчезает, — там появляются особые возбуждения: боголюбовские квазичастицы.

Топологические фазы обычно прячутся в криостатах. Сверхпроводящие цепи, ультрахолодные атомы, лазерные импульсы — все они оберегают квантовый порядок от теплового шума.