Сильно коррелированные системы cond-mat.str-el

Толпа на площади. Сначала каждый кружится в своём ритме, но вдруг музыка меняется — и все начинают двигаться синхронно, как единое целое. Примерно так ведут себя электроны в некоторых металлах: они то прилипают к магнитным примесям, то отрываются и образуют общий порядок.

В 1979 году Су, Шриффер и Хигер предложили модель, которая объяснила странные электрические свойства полиацетилена — органического полимера, проводящего ток почти как металл. Их цепочка состояла из атомов углерода, соединённых попеременно то одинарными, то двойными связями.

Танцпол, на котором магнитные моменты и электроны проводимости то ведут, то следуют друг за другом, — такова решётка Кондо в кристалле V5S8.

Два актёра на одной сцене. Один — фермион, капризный и требовательный, его трудно заставить играть по правилам квантового симулятора. Другой — бозон, покладистый и неприхотливый, готовый занять любое место. Режиссёр надеется, что зритель не заметит подмены.

В цепочке из холодных спинов, вытянутой вдоль одной линии, порядок и беспорядок могут сплестись в узор, который не описать привычными правилами. Два состояния вещества, два «порядка», разделяет перекрёсток, где дороги не сходятся, а расходятся.

В концертном зале квантовой теории долгое время царила строгая дисциплина: считалось, что операторы, эти исполнители сложности, могут расти лишь с определённой скоростью. Гипотеза универсального роста операторов утверждала, что коэффициенты Ланцоша — числа, измеряющие скорость роста оператора, — не могут расти быстрее линейно. Это правило казалось незыблемым, как темп в классической симфонии.

В 1867 году Джеймс Клерк Максвелл придумал демона, который сортирует молекулы газа и тем самым нарушает второе начало термодинамики. Демону нужно знать скорости частиц. В квантовом мире похожая задача: удержать запутанность от лавинообразного роста, но наблюдать за системой целиком невозможно. Оказывается, демону достаточно неполной записной книжки.

Кристалл Mn₃Si₂Te₆ при 78 К превращается в катушку индуктивности, которая не нуждается ни в медном проводе, ни в сверхпроводнике. Электроны внутри него сами организуются в замкнутые вихри с определённым направлением вращения — хиральные орбитальные токи.

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.

В квантовом мире шум обычно разрушает упорядоченное поведение, подобно тому как случайные толчки гасят маятник. Однако на квантовых процессорах IBM физики обнаружили обратный эффект: структурированный шум способен продлить и даже создать ритмичные колебания. Это напоминает маятник, который от беспорядочных, но внутренне согласованных толчков раскачивается сильнее.

В обычных проводах электроны движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и с атомами решётки, — это порождает электрическое сопротивление, превращая часть энергии в тепло.

Учёные обнаружили, что на особой треугольной решётке — структуре, напоминающей плотный плетеный ковёр, — частицы замирают на месте. Они не сталкиваются с соседями, не рассеивают энергию. Волны вероятности гасят друг друга деструктивной интерференцией, как встречные нити в ткани, фиксируя частицы-узлы.

Представьте мозаичный пол, узор которого никогда не повторяется — как знаменитая мозаика Пенроуза. На этом полу магнитные стрелки — спины электронов — исполняют хаотичный танец, порождая квантовую спиновую жидкость.

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.

Фундаментальный принцип, открытый Вольфгангом Паули, — принцип запрета Паули — гласит: никакие два фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

В кристалле TiSe2 электроны ведут себя как стрелки компаса, которые вдруг начинают указывать в одну сторону. Это называется нематическим состоянием — по аналогии с жидкими кристаллами, где молекулы выстраиваются вдоль общего направления, хотя сам материал остаётся жидким.

Крошечные магнитные стрелки внутри кристалла тербий-иридиевого оксида ведут себя странно: вместо того чтобы лечь вдоль своей любимой оси, они встают поперёк. Такое состояние полностью формируется при охлаждении до 1,5 Кельвина — это холоднее, чем в открытом космосе. Исследователи просветили кристалл нейтронами и увидели, как эти перевёрнутые стрелки колеблются и обмениваются энергией.

Танцоры держатся за руки и движутся в идеальной синхронности. В экситонном изоляторе электроны и дырки образуют связанные пары, которые конденсируются в единое квантовое состояние — как партнёры в танце, которые не сбиваются ни на шаг. Но что происходит, если один из них спотыкается?

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.

В семействе вольфрамовых бронз один материал считался тихоней. При охлаждении его собратья перестраивают свои электроны в волнообразный узор, а он — нет. Так думали до недавнего времени. Теперь выяснилось: перестройка есть и у него. При температуре 290 К — чуть ниже комнатной — в моноклинном соединении (одна из форм кристалла) возникает волна зарядовой плотности.

В кристалле La₂₋ₓSrₓCuO₄ при определённом составе одновременно существуют два состояния: сверхпроводимость, когда электроны движутся без потерь, и волна заряда — периодическое сгущение электронной плотности. Эти состояния конкурируют за одни и те же электронные облака, похожие на лепестки в форме креста.

Наша Вселенная, возможно, возникла из крайне нестабильного состояния, которое физики называют ложным вакуумом. Представьте стакан с водой, охлаждённой ниже точки замерзания: жидкость остаётся жидкой лишь до первой встряски, которая мгновенно запускает кристаллизацию в лёд.

В каждой горсти плодородной почвы живут бактерии, которые делают то, чего не умеет ни один завод: берут азот прямо из воздуха и превращают его в удобрение. Секрет спрятан в ферменте нитрогеназе, а его рабочий узел — кластер из атомов железа и молибдена — похож на крошечный заводской цех. Химики давно пытаются понять, как этот цех устроен изнутри.

При температуре 4,3 градуса выше абсолютного нуля кристалл теллурида палладия перестает сопротивляться электрическому току. Электроны в нем объединяются в пары и движутся без потерь, как толпа, взявшаяся за руки. Но у этого сверхпроводника, похоже, не один, а два разных способа объединяться. Физики прижали к кристаллу тонкую иглу и измеряли, как ток проходит через контакт.

В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары, которые стоят на месте — их общий импульс равен нулю. Но бывает иначе: пары получают общий импульс и начинают двигаться, как стайка рыб, плывущая против течения. Такое состояние называют волной пар, и оно очень капризное — нужны особые условия.

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.

Квантовый компьютер напоминает слишком горячий чайник: частицы в нём носятся как попало, и нужно их успокоить, чтобы получить полезный ответ. В новой работе физики придумали, как охлаждать цепочку из 19 квантовых спинов (маленьких магнитиков) прямо на реальном устройстве.

Обычный магнитный компас замирает, когда рядом бьёт молния. Резкий скачок магнитного поля сбивает стрелку с толку. Похожая проблема мешала учёным измерять магнетизм материалов в сильных импульсных полях — таких, что включаются на тысячную долю секунды. Новая установка решает эту задачу с помощью лазерного луча.

В металле полно свободных электронов — они носятся между атомами, как рой пчёл вокруг улья. Если проткнуть такой металл тонкой магнитной нитью, электроны начинают чувствовать её поле. Новый расчёт показал: они не просто огибают поле, а запирают его внутри, как пробка запирает воду в бутылке. Причём запирают строго порциями — либо совсем ничего, либо ровно половину стандартной порции магнитного поля.

Электроны в металле похожи на толпу в метро: каждый сам по себе, но при малейшем толчке все разом приходят в движение. Такое коллективное колебание электронного газа физики называют плазмоном. В сверхпроводниках эти колебания особенно важны, ведь они показывают, как электроны взаимодействуют друг с другом.

Кристалл RbMn6Bi5 похож на пятиэтажку из атомов марганца, где жильцы на каждом этаже образуют пятиугольник. При комнатной температуре магнитные моменты атомов хаотично колеблются, как стрелки компасов в магнитную бурю. Но стоит охладить кристалл ниже определённой температуры, и стрелки внезапно замирают в строгом порядке.

Квантовый компьютер из ионов в ловушке сыграл роль крошечной вселенной. В ней частицы не просто двигались, а сплетались в узлы, которые меняют свойства при обмене местами. Такие узлы называют фибоначчиевскими анионами — они не обычные частицы, а скорее вихри в ткани пространства.

Скоростное шоссе, по которому машины мчатся, почти не замедляясь, — так выглядит слой сверхчистого полупроводника, где электроны пролетают огромные расстояния без единого столкновения. Учёные построили транзистор, в котором электроны бегут вдвое быстрее, чем в любом подобном приборе до сих пор.

Кристалл Fe₄Nb₂O₉ при охлаждении до -272°C превращается в магнитный узор, где атомные стрелки не выстраиваются в одну шеренгу, а расходятся веером. Это как если бы толпа людей замерла, но каждый смотрел в свою сторону, а не в затылок соседу. Такое расположение магнитных моментов называют неколлинеарным, и именно оно, как выяснилось, отвечает за необычное поведение материала.

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.

Атомы в кристалле обычно сидят по своим местам, как пассажиры в самолёте по билетам. Но в этом материале медь и тантал заняли места случайно — будто билеты перепутали. Учёные заглянули в кристалл с помощью рентгеновского излучения и увидели: беспорядок не просто на бумаге, а в самом расположении атомов. Из-за этого магнитные связи между атомами меди получились очень разными.

В сверхпроводнике электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если поместить такой материал в магнитное поле, внутри появляются вихри — крошечные воронки, в которых сверхпроводимость разрушена. Пока эти воронки стоят на месте, ток идёт свободно. Стоит им сдвинуться — возникает сопротивление, и энергия начинает тратиться впустую.

Обычный сверхпроводник работает только в морозильной камере природы — при температурах ниже минус ста градусов. Материал из углеродных шариков K₃C₆₀ не исключение: без холода он сопротивляется току, как толпа в узком коридоре. Но физики заметили странную вещь: если посветить на него лазером, он начинает проводить ток без потерь даже в тепле.

Повар пробует суп, чтобы понять, сколько соли в кастрюле. Физики сделали похожее с кристаллами: направили на них рентгеновские лучи и по тому, как лучи рассеялись, вычислили, насколько «размазаны» электроны в химических связях. В алмазе атомы углерода держатся за счёт общих электронов — как два человека, которые делят одно одеяло.

В кристалле фторида марганца атомы выстроены как строй солдат. Но внутри этого строя есть скрытый узор: магнитные моменты атомов направлены в противоположные стороны, а сам узор меняется при повороте кристалла. Такой порядок называют альтермагнитным — он не создаёт суммарного магнетизма, но влияет на свойства материала. Учёные нагревали и сжимали кристалл, следя за тем, как он поглощает тепло.