туннельный переход

Дорогу не строят, снося соседние дома: сначала укладывают асфальт, а потом лишнее стачивают, оставляя ровное полотно. Примерно так же поступили физики из Гейдельберга, когда взялись за производство джозефсоновских контактов — крошечных сэндвичей из сверхпроводника и изолятора, через которые ток течёт без сопротивления.

Переход Джозефсона — это мостик из сверхпроводника, разделённый тончайшей изолирующей прослойкой. Через него течёт ток, даже если нет напряжения. Но когда ток становится слишком большим, мостик начинает колебаться, и на графике напряжения проступают ровные ступеньки — шаги Шапиро. Между этими ступеньками прячутся невидимые щели, где система ведёт себя странно. Раньше их считали просто математическим курьёзом.

Капля за каплей из крана — или ровная струя без единого всплеска. Примерно так выглядят два режима тока в сверхпроводящем контакте. Только роль воды играют куперовские пары — связанные электроны, которые движутся без сопротивления. В одном пределе пары просачиваются по одной, как редкие капли: ток идёт, но с потерями. В другом — льются единым потоком, совсем без трения.

В 21-километровом кольце подмосковного Протвино когда-то планировали разгонять протоны. Сегодня та же труба могла бы принять совсем другую машину — мюонный коллайдер. Мюон — тяжёлый родственник электрона, и в этом его сила. Электрон на вираже кольца излучает как прожектор, теряя драгоценную энергию. Мюон излучает в миллиард раз слабее.

Книга открыта на середине. По корешку бежит ток, а страницы остаются холодными. Примерно так устроен двумерный топологический изолятор — материал, где электричество течёт только по краям, а внутренность неподвижна.

Всё начинается с крошечного рубца — тонкого туннеля, который соединяет две вселенные. В квантовой космологии давно обсуждают, что наша замкнутая вселенная могла родиться из «ничего» путём туннелирования (это когда система преодолевает барьер, непреодолимый по обычным меркам).

Классический парадокс Мпембы — горячая вода замерзает быстрее холодной — веками дразнил учёных. Лишь недавно неравновесная статистическая механика объяснила: всё дело в граничных условиях; система словно ищет повод «удариться о стену», чтобы ускорить охлаждение.

Квантовое туннелирование — способность частиц проходить сквозь барьеры, запрещённые классической физикой, — питает звёзды термоядерным синтезом, зажигает первичный нуклеосинтез и дарит нам флеш-память.

В горах есть седловина — точка, где тропа из одной долины переваливает в другую. Встав точно на неё, делаешь шаг и уже спускаешься по новому склону. В химии такое место называют переходным состоянием: короткий миг, когда атомы замерли на пороге превращения. Почти сто лет физики были уверены, что в квантовом мире этот перевал исчезает.

Качели могут раскачиваться сильно или едва заметно. Обычно, если их не трогать, они остаются в выбранном режиме. Но в микромире всё иначе: крошечная мембрана, колеблющаяся под действием лазерного луча, способна самопроизвольно перепрыгивать из одного размаха в другой. Это похоже на побег с одной орбиты на соседнюю, только движет этим побегом не ракета, а вездесущий квантовый шум.

Атом — как дирижёр, а свет в резонаторе — оркестр. Обмен энергией между ними, известный как взаимодействие Джейнса–Каммингса (часть Стандартной модели), позволяет атому взмахами «палочки» менять ритм и тембр колебаний.

В магнитной ловушке парит микроскопический магнит — его намагниченная ось зафиксирована, подобно стрелке компаса, которой не дают повернуться. Перед ней вырастает энергетический барьер — невидимая стена. Но в квантовом мире частицы способны просачиваться сквозь преграды: это явление называют туннелированием.

Квантовое ничто — вакуум, пронизанный непрерывными флуктуациями полей, — напоминает воду в кастрюле перед закипанием. Время от времени в нём спонтанно вспухает пузырёк: только не пара, а целой вселенной. Такой пузырёк, вместо того чтобы схлопнуться, раздувается в пространство-время, запуская собственный Большой взрыв.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Но если камень очень мал, а вода не совсем обычна, круги проходят сквозь него, даже не заметив. Примерно так ведут себя звуковые колебания в сверхтекучем гелии: при крайне низких энергиях они просачиваются через препятствия, словно тех и нет. Физики называют это аномальным туннелированием.

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.

Квантовые частицы способны проходить сквозь препятствия, словно мяч, внезапно оказывающийся внутри холма и вылетающий с другой стороны. Этот туннельный эффект — прямое следствие волновой природы материи — объяснил Георгий Гамов, разгадывая механизм альфа-распада: как частицы покидают атомное ядро, преодолевая потенциальный барьер.

Обычная флешка в кармане греется, даже когда просто лежит. А теперь представьте память, которая в холоде почти ничего не тратит — как термос, который не остывает. Сверхпроводник при температуре жидкого гелия проводит ток без потерь, но хранить данные он не умел. Новая ячейка меняет это. Внутри — слоёный бутерброд из ниобия и магнитных плёнок.

Оптический пинцет — это луч лазера, который удерживает атом в одной точке, как пальцы держат горошину. Из таких пинцетов собирают целые решётки атомов — основу будущих квантовых компьютеров. Но есть проблема: не в каждый пинцет попадает атом. Обычно заполняется лишь половина ловушек, а для молекул — и того меньше. Пустые места ломают всю конструкцию.

Внутри каждого нейрона есть длинный тонкий канал — аксон, по которому сигнал идёт от тела клетки к другим клеткам. Чтобы канал работал, по нему постоянно курсируют митохондрии — крошечные органеллы, которые вырабатывают энергию. Они движутся в обе стороны, как машины по узкой дороге.

Термоядерный синтез — слияние протона и ядра бора-11 — сулит почти идеальный источник энергии: без потока опасных нейтронов, лишь поток заряженных частиц, который можно напрямую преобразовать в электрический ток. Но здесь встаёт фундаментальная проблема кулоновского барьера.

Река течёт к водовороту, но на пути стоит дамба с прорезью. Большая часть воды скапливается перед дамбой, но часть, набрав высоту, перелетает через неё и падает прямо в воронку. Так и газ в галактике: он стекает к центру, но упирается в кольцо из звёзд и газа — оно как дамба. Обычно там всё и останавливается, закручиваясь в плотный вихрь.

Сверхпроводящие схемы часто строят на переходах Джозефсона — местах, где ток течёт без сопротивления через тонкий барьер. Обычно таким барьером служит слой оксида, но его свойства трудно контролировать на наноуровне. В новой работе барьером становится тонкий слой нитрида ниобия или титана, зажатый между слоями ниобия.

Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.

Квантовая точка — это как крошечный островок, на котором может поселиться один или несколько электронов. В новой работе такой островок соединили с двумя «морями» электронов: одно плоское, как блин, другое объёмное, как океан. Электроны могут перепрыгивать с островка в моря и обратно, и этот прыжок зависит от формы волны электрона на островке.

Обычный сверхпроводящий кубит похож на качели, которые раскачивает любой порыв ветра. Малейшее изменение электрического заряда рядом — и квантовое состояние уже испорчено. В новой работе физики сделали качели с тяжёлым основанием: заряд на островке кубита может меняться только парами, как будто монетки кидают в копилку строго по две. Это и есть защита от зарядового шума.

Полупроводниковый диод обычно пропускает ток только в одну сторону, как дверь с пружиной: в одном направлении открывается легко, в другом — упирается. Но если сильно насытить кристалл примесями, дверь начинает вести себя странно: при обратном напряжении ток не просто течёт, а резко взлетает.

Ионный канал в мембране клетки — это ворота шириной в несколько атомов. Через них каждую секунду проходят миллионы заряженных частиц — ионов натрия и калия. Классическая физика говорила: чтобы пройти, иону нужно перепрыгнуть энергетический барьер, как путнику — высокий горный перевал.

В кристалле металла атомы стоят ровными рядами, как кирпичи в стене. Но если выбить один кирпич, остаётся пустота — её называют вакансией. Под облучением таких пустот становится много, они начинают сливаться в большие дыры, и металл теряет прочность. Это как если бы в кирпичной стене дыры объединялись в сквозной пролом.

Электроны в проводнике ведут себя как толпа на эскалаторе: каждый сам по себе, но вместе создают поток. Если заставить их кружить по кольцу, их угловой момент (мера вращения) может связаться с магнитным полем, как шестерёнки в часах.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть строго свою ноту. Но в зале есть невидимые шумы — дефекты в сверхпроводящих контактах, которые сбивают кубиты с ритма. Эти дефекты называют двухуровневыми системами. Они как трещинки в стекле: маленькие, но способны испортить всю картину. Авторы работы решили выяснить, откуда берутся такие трещинки.

В сверхпроводящих цепях, из которых строят квантовые компьютеры, время от времени рождаются лишние частицы — квазичастицы. Они похожи на случайных прохожих, которые врываются в работу процессора и портят вычисления. Учёные научились ловить эти события в реальном времени на двух соседних кубитах — сверхпроводящих элементах, чувствительных к заряду.

Сверхпроводник — это материал, где электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если в нём возникают вихри, ток начинает «спотыкаться» об эти крошечные завихрения. В графене, скрученном под особым углом, такие вихри можно создавать и изучать по одному. Учёные собрали устройство, похожее на узкий мостик между двумя сверхпроводящими берегами.

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.

Звук в тонкой пластине ведёт себя как рябь на воде: бежит, отражается от краёв, меняет форму. Но у звука есть одна странность — он умеет проходить сквозь места, где волне запрещено существовать. Это похоже на то, как если бы рябь на пруду вдруг исчезла перед каменной перегородкой и появилась с другой стороны, не огибая её. Учёные взяли пластину переменной толщины — плавно сужающуюся, как клин.

Пять заряженных атомов кальция парят в ловушке, удерживаемые электрическими полями. Лазерное охлаждение забирает у них лишнюю энергию, и они выстраиваются в крошечную пирамиду с квадратным основанием. Но эта пирамида не стоит на месте: время от времени она переворачивается, как будто кто-то подбрасывает её вверх и ловит вверх ногами.

Квантовый бит — как камертон, который звенит на своей частоте. Чтобы узнать его состояние, рядом ставят микрофон-резонатор. Обычно камертон и микрофон соединяют через пружинку-конденсатор: звук передаётся, но при этом камертон начинает дрожать от посторонних шумов и может сбиться.

В квантовом мире частицы демонстрируют способность проходить сквозь потенциальные барьеры — это явление известно как квантовое туннелирование. Если на пути такого «призрачного» прохода разместить детектор, то сам момент обнаружения срабатывает подобно стартовому пистолету: частица получает резкий толчок и вылетает из барьера с избытком энергии, превращаясь в крошечный двигатель.

Крошечное остриё из вольфрама радиусом меньше ста нанометров — идеальная сцена для наблюдения квантового спектакля. Стоит приложить электрическое поле в несколько вольт на нанометр, как из металла начинают вылетать электроны — идёт полевая эмиссия. Казалось бы, старый, как сама квантовая механика, эффект, предсказанный ещё в 1928 году.