«Оно светилось бы в руках»: открыто новое состояние квантовой материи, не похожее ни на что на Земле
В школе нас учили: у вещества есть три состояния — твёрдое, жидкое и газообразное. Продвинутые ученики могли добавить четвёртое — плазму. Кажется, всё просто и понятно. Но стоит заглянуть в микромир, управляемый законами квантовой механики, и эта стройная картина рассыпается на тысячи удивительных и, честно говоря, причудливых возможностей.
И вот, учёные из Калифорнийского университета в Ирвайне добавили в эту коллекцию новый, совершенно экзотический экспонат. Они не просто предсказали, а впервые в истории смогли измерить и подтвердить существование новой фазы материи. И знаете что? Эта странная субстанция может стать ключом к технологиям, о которых мы раньше читали только в фантастике.
Так что же это такое?
Давайте представим воду. Мы знаем её как жидкость, лёд (твёрдое тело) и пар (газ). Новое состояние материи, открытое командой под руководством профессора Луиса Хауреги, — это нечто столь же фундаментально иное. Учёные описывают его как «жидкость» из особых частиц.
В чём же дело? Внутри специально созданного материала, который называется пентателлурид гафния, электроны — те самые крошечные носители отрицательного заряда — начинают вести себя крайне необычно. Они спонтанно находят себе партнёров. Этими партнёрами выступают так называемые «дырки» — по сути, это просто места в кристаллической решётке, где электрона не хватает. Можно представить себе это как пузырёк воздуха в толще воды.
Электрон и «дырка» притягиваются друг к другу и образуют связанную пару, которую физики называют экситоном. Это не какая-то новая частица, а скорее временный тандем, этакие неразлучные танцующие партнёры. Сами по себе экситоны — явление известное, но здесь начинается самое интересное.
В условиях эксперимента калифорнийских учёных эти пары электронов и дырок не просто существуют, а ведут себя как единая, согласованная жидкость. Но главная странность в другом: электрон и дырка в каждой паре вращаются (физики говорят «обладают спином») в одном и том же направлении. Это нарушает привычные правила и создаёт совершенно уникальное состояние, которое никогда прежде не наблюдалось.
«Если бы мы могли подержать его в руках, оно бы светилось ярким высокочастотным светом», — образно описывает открытие профессор Хауреги. Это не просто красивая метафора, а намёк на необычные энергетические свойства этой материи.
Рецепт для экзотики: как это сделали?
Создать нечто, чего раньше не видел никто, — задача не из лёгких. Секрет успеха команды из Ирвайна кроется в двух компонентах: уникальном материале и экстремальных условиях.
- Материал: Цзинью Лю, исследователь из лаборатории Хауреги, синтезировал тот самый пентателлурид гафния. Это вещество само по себе обладает интересными электронными свойствами, которые и позволили провести эксперимент.
- Условия: Затем этот материал поместили в чудовищно сильное магнитное поле. И когда я говорю «чудовищно», я не преувеличиваю. Эксперименты проводились в Лос-Аламосской национальной лаборатории, где смогли создать поле мощностью 70 Тесла. Для сравнения: магнит на вашем холодильнике — это примерно 0,1 Тесла, а мощный аппарат для МРТ в больнице работает на 1,5-3 Тесла. Поле в 70 Тесла — это колоссальная сила, способная кардинально изменить поведение материи на квантовом уровне.
Именно под действием этого поля и произошло «чудо». Материал резко изменил свои свойства: его способность проводить электричество внезапно упала. Это и стало сигналом — свершилось! Материя перешла в новое, экзотическое состояние.
Зачем нам это нужно? От спинтроники до марсианских баз
Хорошо, это интересно для физиков-теоретиков, скажете вы. Но какая от этого практическая польза? Оказывается, самая прямая.
Во-первых, это путь к новой электронике. Современные компьютеры и гаджеты работают за счёт перемещения электрического заряда — потока электронов. Это эффективно, но приводит к нагреву и потерям энергии. Новое состояние материи открывает двери в мир спинтроники — технологии, где информация кодируется не зарядом электрона, а его спином (направлением вращения). Устройства на основе спинтроники могли бы быть в разы более энергоэффективными и быстрыми. А возможность передавать сигнал через спин, а не заряд, как раз и демонстрирует новый материал.
Во-вторых — и это звучит по-настоящему захватывающе — покорение космоса. Главный враг любой электроники за пределами защитного магнитного поля Земли — это космическая радиация. Потоки высокоэнергетических частиц буквально «прожаривают» микросхемы, вызывая сбои и выводя из строя целые системы. Это одна из главных проблем для долгосрочных миссий, например, к Марсу, о которых мечтает SpaceX.
Так вот, новый материал абсолютно невосприимчив к радиации. Его квантовая структура настолько стабильна, что никакое излучение не может её нарушить. Представляете компьютер, который не боится жёсткого космического излучения и может безотказно работать годами в условиях дальнего космоса? Это уже не научная фантастика, а вполне реальная технологическая перспектива.
Неопределённое, но захватывающее будущее
Конечно, до появления компьютеров на пентателлуриде гафния в наших карманах или на борту марсоходов ещё далеко. Как признаётся сам профессор Хауреги, «мы ещё не знаем, какие возможности откроются в результате».
И это нормально. Фундаментальная наука работает именно так. Сначала — открытие, которое переворачивает наше представление о мире. Оно может показаться абстрактным, понятным лишь горстке учёных. Но затем, шаг за шагом, это знание прокладывает путь к технологиям, которые меняют нашу цивилизацию. Открытие транзистора когда-то тоже было лишь лабораторным курьёзом, а сегодня без него немыслим наш мир.
Возможно, прямо сейчас мы стоим на пороге такой же революции. И началась она в тишине лаборатории, где под действием невидимого гигантского магнита материя решила показать один из своих самых сокровенных секретов.