Другие разделы физики конденсированного состояния cond-mat.other

Маятник получает толчок, но возвращается в исходное положение не через один период, а через два. Так ведёт себя дискретный временной кристалл — фаза материи, которая спонтанно нарушает дискретную трансляционную симметрию времени и осциллирует с периодом, кратным внешнему воздействию.

Камертон, вырезанный из идеального металла, звенит на одной-единственной частоте. Его звук чист, как математическая формула. Но стоит зажать его в тисках или окунуть в вязкую жидкость — и тон расплывается, обрастает шумами, теряет остроту. Примерно так же ведёт себя ядро скандия-45, когда его помещают в кристаллическую решётку.

Снежинка, падая из облака, выбирает между левой и правой формой. Разница между ними почти неощутима, как дуновение ветра, но именно оно решает, какой узор вырастет. В мире элементарных частиц такое дуновение создаёт слабое взаимодействие — единственная из четырёх фундаментальных сил, которая нарушает зеркальную симметрию.

Согласно теории Эйнштейна, вращение Земли увлекает за собой само пространство-время — этот эффект известен как увлечение инерциальных систем отсчёта, или эффект Лензе — Тирринга. Представьте: массивное тело, словно ложка в густом мёде, закручивает вокруг себя ткань пространства-времени.

Обычные атомные часы — это, по сути, оптический счётчик: они используют спектроскопию — метод, позволяющий с высокой точностью измерять частоту излучения при переходах электронов между энергетическими уровнями.

В повседневном опыте мы оперируем тремя пространственными измерениями — длиной, шириной и высотой, — считая их фундаментальной и неизменной данностью.

Гелий на графите ведёт себя как акробат, который одновременно скользит по канату и держит форму. При температурах в 30 милликельвинов (это в сто раз холоднее, чем в открытом космосе) второй слой гелия на графите приобрёл новые свойства: он стал течь без трения и при этом сопротивляться сжатию, как густой мёд.

Электрон — крошечная частица, но в кристалле она ведёт себя так, будто у неё другая масса. Это называют эффективной массой. Чтобы её измерить, физики заставляют электроны бегать по кругу в магнитном поле — как конькобежца на катке, которому не дают уйти с орбиты.

Кристалл охладили до минус 228 градусов по Цельсию — и на его поверхности проступил узор, как иней на стекле. Только рисует его не влага, а магнитное поле: крошечные частицы железа, взвешенные в жидкости, оседают на намагниченных участках и показывают их расположение. Так работает метод, которым воспользовались авторы исследования. Узор оказался двухэтажным.

Крошечная чешуйка кристалла лежит на подложке, как осенний лист на ладони. Толщина — тоньше человеческого волоса, а внутри кипят квантовые эффекты: сверхпроводимость, магнитный порядок, квантовая спиновая жидкость. Но как измерить, насколько эта чешуйка разбухает от тепла или сжимается в магнитном поле?

Две металлические пластины в абсолютном вакууме притягиваются. Ещё Ричард Фейнман уподоблял пустоту кипящей пене: пары виртуальных частиц рождаются и аннигилируют, порождая эффект Казимира — силу притяжения между близкими поверхностями из-за квантовых флуктуаций вакуума.

Обычный магнит можно представить как строй солдат, где все смотрят в одну сторону. Антиферромагнетик устроен иначе: соседние «солдаты» смотрят в противоположные стороны, но строй в целом остаётся упорядоченным. Перевернуть такой строй сложно — он не реагирует на слабые внешние поля.

Со времён Галилео Галилея считалось, что в вакууме все тела падают с одинаковым ускорением, независимо от их массы.

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.

Клетка из шестидесяти атомов углерода, похожая на футбольный мяч, впускает внутрь маленькие молекулы. Углеродные шарики-фуллерены уложены в кристалл, как апельсины в ящике, — между ними остаются пустоты. В эти пустоты при нагреве до 570 градусов Цельсия и давлении в 30 атмосфер проник водород.

Каждый электрон — как волчок: он крутится вокруг своей оси. Это вращение называют спином. В обычной электронике спин не используют — только заряд. А зря: если научиться управлять спином, чипы станут быстрее и экономичнее.

Тонкий кристалл гексагонального нитрида бора — родственник графита, только прозрачный и диэлектрик. В его решётке иногда встречаются одиночные дефекты: атом бора или азота отсутствует, и на его месте образуется ловушка для электронов. Такая ловушка способна поглощать свет и испускать его обратно, как крошечный фонарик.

Заводская труба выбрасывает в воздух углекислый газ, а рядом стоит установка, которая ловит этот газ и под солнечным светом собирает из него молекулы этилена — сырья для пластиковых пакетов и труб. Такую картину приблизили материаловеды, которые модифицировали кристалл полуметалла PdSn4 небольшим количеством платины.

Лазерная вспышка бьёт по слою серебра толщиной в один атом, лежащему на двухслойном графене, — и за квадриллионные доли секунды в электронной структуре графена открывается щель, которой там раньше не было. Это как если бы обычный провод на мгновение стал полупроводником: электроны перестают свободно течь, появляется запрещённая зона.

При температуре 0,1 К — это на три десятых градуса выше абсолютного нуля — вещество перестаёт подчиняться привычным правилам. Гелий становится сверхтекучим: он течёт без трения, просачивается сквозь щели и ведёт себя как одна гигантская квантовая жидкость. Увидеть, что происходит внутри такого холода, — задача на грани возможного.

Электроны в кристалле CrSb ведут себя как стайка рыб: внутри материала они снуют по своим «коридорам», а на границе с вакуумом выстраиваются в причудливые узоры. Эти узоры — поверхность Ферми, карта всех разрешённых скоростей электронов. До неё не дотянуться рукой, но её можно «прощупать» магнитным полем.

Жидкий гелий при сверхнизких температурах переходит в состояние сверхтекучести — течёт без трения, словно идеальная смазка. В этой квантовой жидкости рождаются вихри, внешне похожие на обычные водовороты в воде, но с принципиальным отличием: их угловой момент, или сила вращения, квантуется.

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

Обычный сверхпроводник выталкивает магнитное поле, а это кольцо, наоборот, создаёт его внутри себя. Кольцо сделано из материала Fe(Te,Se) — соединения железа, теллура и селена, которое при очень низкой температуре теряет электрическое сопротивление.

Магнитные моменты в кристалле похожи на стрелки компасов, закреплённые в узлах решётки. В обычном состоянии они выстраиваются в аккуратный порядок, но если по кристаллу ударить электромагнитной волной, стрелки начинают колебаться — как хлебные колосья под ветром. Эти колебания называют магнонами, и они переносят энергию без перемещения самих атомов.

Кристалл из ионов кальция в ловушке, подсвеченный лазером, — это крошечная модель вещества внутри белого карлика. Там, в недрах умирающей звезды, атомные ядра выстраиваются в жёсткую решётку, когда температура падает. В лаборатории физики воспроизвели этот момент: охладили облако ионов до нескольких милликельвинов и наблюдали, как оно застывает в упорядоченный узор.

В кристалле титаната бария есть встроенное электрическое поле — как у постоянного магнита, только для зарядов. Когда туда попадает вспышка света, она выбивает электроны, и те начинают метаться, сталкиваясь с атомами. Но кристалл не одинаков во всех направлениях: у него есть ось, вдоль которой поле самое сильное.

Сверхтекучесть — состояние жидкости, в котором она течёт без трения, не теряя энергии. Гелий-3, редкий изотоп, обретает это свойство лишь при температурах в тысячные доли градуса выше абсолютного нуля.

В гелии, охлаждённом почти до абсолютного нуля, жидкость перестаёт тереться сама о себя и начинает течь без малейшего сопротивления. Физики запустили в такой сверхтекучий гелий крошечные полимерные шарики — от одного до шести микрометров, как бактерии, — и следили за их падением сквозь лазерную подсветку. Шарики светились, и их пути записывала камера.

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.

Магнитная стрелка компаса поворачивается медленно, но внутри некоторых материалов крошечные магнитные моменты способны разворачиваться за времена, которые трудно вообразить. Группа физиков рассчитала, как заставить их менять направление за миллионную долю миллиардной доли секунды. Это быстрее, чем мигает лампочка.

Оксид рутения долго считали образцовым альтермагнетиком — материалом, у которого магнитные моменты соседних атомов направлены противоположно, но не компенсируются полностью из-за особой симметрии кристалла. Новые измерения показали: внутри кристалла никакого магнетизма нет. Вся магнитная жизнь сосредоточена на поверхности.

Обычный магнит на холодильнике притягивает железо, потому что внутри него все крошечные магнитные стрелки выстроены в одном направлении. Но есть материалы, где стрелки выстраиваются хитрее: соседние ряды смотрят в противоположные стороны, и снаружи кажется, что магнетизма нет. Такие материалы назвали альтермагнетиками.

Нейтронная звезда — это стремительно вращающийся объект массой с Солнце, сжатый до размеров города, возникающий в результате взрыва сверхновой. Обычно её вращение постепенно замедляется, но иногда, без видимых причин, происходит внезапное ускорение — глитч.

Обычный лазер похож на оркестр, где музыканты должны разогреться, прежде чем заиграть в унисон. Сначала нужно накачать энергией достаточно атомов, чтобы они «перевернулись» и были готовы излучать свет — это называют инверсией населённостей. Только тогда вспыхивает луч. Поляритонный лазер играет по другим правилам: его «музыканты» — смесь света и вещества — вступают в дело почти без подготовки.

Крошечные магнитики внутри атомов — ядерные спины — в холодном кристалле могут «застыть» на долгие минуты. Это мешает быстрой настройке квантовых датчиков: слишком медленно всё приходит в нужное состояние. Физики нашли способ подтолкнуть их светом.

Кастрюлю с водой только что перестали мешать: воронки и водовороты постепенно успокаиваются, жидкость становится гладкой. Похожий процесс, но в квантовом мире, происходит в сверхтекучем гелии или в облаке ультрахолодных атомов. Только вместо водяных воронок там — невидимые вихревые нити, тончайшие квантовые «смерчи», пронизывающие вещество.

В сверхтекучем гелии исчезает вязкое трение — жидкость течёт, как горный ручей, но без малейших завихрений, демонстрируя макроскопический квантовый эффект.

Обычный чайник: нагреваешь — растёт температура, молекулы движутся всё беспорядочнее, и вырывается пар. Но в лаборатории создали необычный «чайник» — аналоговую чёрную дыру из охлаждённых почти до абсолютного нуля сверхпроводящих цепей.

Внутри протона кипит жизнь. Кварки там не просто сидят — их склеивают частицы-переносчики, глюоны (от слова glue — клей). Обычно этот клей равномерно размазан, как масло по сковороде. Но когда энергии становятся огромными, глюоны начинают сбиваться в комки. Это и есть глюонный конденсат — сверхплотное состояние клеящего поля.