Niels Bohr

Свет бьёт по металлической пластинке, и из неё вылетают электроны. Это фотоэффект, и он работает только если у света хватает энергии перешагнуть порог, удерживающий электроны внутри. До сих пор физики умели строго описывать волновую сторону квантового мира через квантовую когерентность, то есть способность состояния быть суперпозицией.

Электронный заряд — перекати-поле, которое меняет свой лагерь в зависимости от энергии. В кристалле вольфрам-селенида (WSe₂) это видно с предельной ясностью: при напряжении −1.4 В, близком к K-точке зоны Бриллюэна, максимумы туннельного тока оказываются в центрах шестиугольников, где атомов нет. При −1.9 В, ближе к Γ-точке, заряд перебирается на атомы вольфрама. Сдвиг — всего 0.

Нильс Бор настаивал: нельзя одновременно знать, по какому пути прошёл фотон, и видеть интерференцию. Долгое время это считалось ограничением познания — мол, мы просто не можем получить оба типа информации сразу.

Обычный изолятор не проводит ток ни внутри, ни по краям. Топологический изолятор — другое дело: внутри он остаётся изолятором, а по краям пускает электрический ток без потерь. Это свойство защищено топологией — математической характеристикой, которая не меняется при плавных деформациях.

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

В 1976 году Герард ’т Хоофт заметил, что вакуум калибровочной теории не так прост, как кажется: он обладает топологической структурой, которая проявляется в ненулевой топологической восприимчивости. Эта величина — мера чувствительности вакуума к топологическим конфигурациям полей — требует наличия псевдоскалярного состояния, частицы с нулевым спином и отрицательной чётностью.

Представьте себе стопку блинов, где каждый блин намагничен, но направления намагниченности в соседних блинах противоположны. Именно так устроен новый магнитный материал: в каждом атомном слое все магнитные моменты — «стрелки» атомов — выстроены в одном направлении, а следующий слой намагничен строго в обратную сторону.

Квантовая частица — обитательница мира элементарных частиц — напоминает монету, вращающуюся в воздухе: ни орёл, ни решка, а суперпозиция возможностей. Но при падении на стол исход становится однозначным. Что служит столом в процессе измерения?

Два куска графита трутся друг о друга, а сопротивление исчезает, будто их разделила невидимая плёнка масла. Раньше такое видели только под микроскопом, на крошечных пятнышках контакта. Теперь учёные зажали между двумя слоями графита площадку в доли миллиметра и надавили с силой до половины ньютона — как если бы на неё положили небольшое яблоко.

Тонкий лист углерода, похожий на ажурную сетку из треугольников, шестиугольников и восьмиугольников, лежит на подложке. Сам по себе он не сверхпроводит: электроны движутся в нём как попало, натыкаясь на атомы. Но стоит равномерно растянуть этот лист — как натягивают холст на подрамник, — и картина меняется.

Пространство-время на сверхмалых расстояниях напоминает цифровой экран: оно не гладкое, а состоит из мельчайших «пикселей». Эту минимальную длину вычислил Макс Планк — так называемую планковскую длину, фундаментальный предел, за которым привычная геометрия теряет смысл.

Электроны в проводнике обычно ведут себя как газ: носятся хаотично, сталкиваются, не держат строя. Но если их растащить подальше друг от друга и сильно охладить, взаимное отталкивание может заставить их встать по местам — как посетителей в переполненном зале, которые рассаживаются через кресло.

Лист германана толщиной в один атом лежит на куске германия — и ток бежит по нему, как по автостраде без светофоров. Германан — это плоская решётка из атомов германия, покрытая водородом, родственник графена.

Квантовый компьютер похож на оркестр, который играет только в полной тишине. Малейший шум — и хрупкая мелодия рассыпается. Для квантовых устройств таким шумом становится тепло: даже слабое инфракрасное излучение от соседних деталей нагревает кубиты и стирает их квантовые состояния.

Квантовый датчик можно представить как телеграфную линию, передающую сверхчувствительное сообщение: малейшая помеха искажает сигнал. Долгое время считалось, что для точного измерения необходим безошибочный «телеграфист» — идеальная система исправления ошибок. Однако на практике шумят все элементы: и передатчик, и канал, и приёмник.

Кусочек хрома на воздухе за минуту покрывается невидимой бронёй — оксидной плёнкой. Она защищает металл от ржавчины, но для батареи это беда: плёнка не пропускает ионы хрома, и ток не идёт. Учёные смешали пять металлов — хром, висмут, медь, олово и никель. Получился сплав, в котором при окислении образуется не сплошная броня, а мозаика из разных оксидов.

Лист графена опускают в раствор сульфата натрия — обычной соли, похожей на поваренную. У самой поверхности вода перестаёт быть однородной: она выстраивается слоями, как стопка блинов. Между этими слоями и внутри них распределяются ионы — заряженные частицы, на которые распалась соль.

Графен — это лист углерода толщиной в один атом. Если нарезать его на узкие полоски, получатся графеновые наноленты. Их свойства зависят от того, как именно полоска скроена: словно из одного куска ткани можно сшить и гладкую скатерть, и складчатую юбку. В новой работе химики собрали ленту несимметричной формы.

Графеновый транзистор работает как микроскопический выключатель: молекула садится на его поверхность — и ток меняется. Но голая поверхность графена никого не ловит. Нужна «приманка» — антитела, которые узнают только белки вируса.

Кубик из танталата калия ведёт себя как обычный диэлектрик: электрическое поле он не хранит. Но стоит вырастить этот материал тонкой плёнкой на подложке из другого кристалла, как всё меняется. Кристаллические решётки плёнки и подложки не совпадают по размеру, и плёнка вынуждена подстроиться — она сжимается на 2,1 процента.

Кристалл толщиной в один атом — как лист бумаги, на котором можно писать электричеством. Такой материал обещает стать основой для крошечных и быстрых микросхем. Но прежде чем запускать его в производство, нужно точно знать, из чего он состоит. И вот тут выяснилось, что привычная формула не сходится.

Согласно фундаментальным законам физики, ничто не может двигаться быстрее света в вакууме. Если бы сверхсветовой сигнал существовал, для некоторых наблюдателей он бы прибыл раньше, чем был отправлен, — следствие опередило бы причину.

Если пропустить воду через узкое горлышко, у самого края поток ускорится, а за преградой образуется водоворот. Примерно так же ведут себя электроны в сверхчистых двумерных материалах — например, в тонком слое графена. Там они движутся не как одиночные частицы, а как вязкая жидкость, и трение между ними становится важнее, чем сопротивление самого материала.

Если насыпать на стол горсть монет, поверхность станет бугристой. Но стоит добавить ещё монет, и они сами растекаются в ровный слой. Нечто похожее происходит, когда на подложку напыляют тончайшие плёнки из отдельных молекул. Сначала на поверхности появляются островки — молекулы собираются в кучки, как люди в очереди. Плёнка становится всё более неровной.

Графеновая лента шириной в девять атомов — это дорожка, по которой электроны бегут, как вода по узкому жёлобу. Гамма-излучение — поток частиц с огромной энергией, способный пробить металл и пластик. Когда такой поток попадает в ленту, он не ломает её, а лишь слегка царапает поверхность, оставляя на ней лишние атомы кислорода.

Обычный лазер усиливает свет до яркого луча. Если запустить этот процесс в обратную сторону, получится антилазер — устройство, которое всасывает свет без остатка. Но такая машина капризна: достаточно лёгкого беспорядка, чтобы поглощение сорвалось. Физики нашли способ сделать антилазер неуязвимым.

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 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.

Обычная молекула октана — это цепочка из восьми атомов углерода, как гибкая проволока. На горячей платиновой поверхности (выше 600 K) она не лежит спокойно, а начинает извиваться. Сначала цепочка изгибается так, что её концы сближаются.

Магнитные материалы умеют хранить энергию колебаний — как камертон, который продолжает звенеть после удара. Если такой материал поместить в микроволновую полость, его колебания (магноны) начинают взаимодействовать со светом (фотонами).

Сталь — не просто кусок железа. Внутри неё, как в слоёном пироге, уживаются разные структуры — фазы. В сверхпрочной стали для автомобилей таких фаз три: мягкий феррит, прочный мартенсит и пластичный аустенит. Среднемарганцовистая сталь обязана своей силой именно этому трио. Но как фазы распределены по объёму и как меняются при нагрузке, долго оставалось загадкой.

Световой импульс, как комок пластилина, при проходе через обычный материал сохраняет форму. Но если на пути поставить особый слой толщиной в один атом, импульс начинает расплываться — его спектр становится шире.

В тонком слое кристалла электроны ведут себя иначе, чем в обычном куске металла. Им тесно, они чаще сталкиваются друг с другом и сильнее чувствуют форму решётки. Обычно такие состояния создают искусственно, собирая слои разных материалов. Но иногда природа делает всё сама. Кристалл MoOCl₂ — первый природный материал, в котором электронный газ настолько неоднороден по направлениям, что его называют гиперболическим.

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.

Тонкая плёнка оксида рутения Sr₃Ru₂O₇, выращенная на чужой кристаллической подложке, ведёт себя как туго натянутая резиновая плёнка: подложка либо сжимает её, либо растягивает. Эти деформации перекраивают «карту» электронных состояний — так называемую поверхность Ферми, которая определяет, как материал проводит ток и реагирует на магнитное поле.

Тонкая плёнка из сложного оксида — как переводная картинка: её нужно аккуратно снять с одной поверхности и перенести на другую, не порвав. Раньше для этого использовали слои, которые растворяются в воде, но они или растворялись слишком медленно, или портили саму плёнку. Теперь предложен новый «клей» — оксид бария.

Если нагреть один конец проводника, а другой оставить холодным, электроны начинают перетекать от горячего к холодному. Обычно это создаёт напряжение вдоль проводника — как вода, текущая по наклонному жёлобу. Но в некоторых материалах электроны отклоняются вбок, и напряжение возникает поперёк.

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 оксида железа SrFeO3 лежит на подложке, которая слегка её растягивает. Внутри плёнки магнитные моменты атомов закручены в спираль, как винтовая лестница. Растяжение изменило эту лестницу: шаг стал короче, а сама ось наклонилась. Причина — в кислороде. Растянутая решётка легче теряет атомы кислорода, оставляя пустоты.

Скрученные слои атомов в материале образуют узор из крошечных участков — доменов, каждый из которых может быть наэлектризован в одну из двух сторон, как стрелка компаса, указывающая на север или юг. Раньше такие материалы изучали только целиком, измеряя сразу тысячи доменов, и их общее поведение было похоже на хор, где отдельные голоса не слышны.