Квантовая магия магнонов
Квантовая физика дала миру много эффектных явлений, которые на первый взгляд кажутся невероятными. Среди них и бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК), в котором множество частиц начинают вести себя как одна суперчастица. Удивительно, но оказывается, что БЭК можно получить не только для атомов, но и для магнонов — квантов спиновых волн. Более того, в этом случае он может возникать как при температурах, близких к абсолютному нулю, так и при комнатной температуре, если использовать кристаллы железо-иттриевого граната.
Магнонный БЭК — это не просто красивая физика, он обладает целым рядом уникальных свойств, которые делают его привлекательным для науки и технологий. А при комнатной температуре он становится мостом между квантовым миром и реальными устройствами.
— Юрий Михайлович, вы занимаетесь экспериментальными исследованиями сложных квантовых систем. Как всё это начиналось?
— С древних времён было известно несколько, как бы мы сейчас сказали, агрегатных состояний вещества: твёрдое тело, жидкость, газ и огонь. До последнего времени так и считалось, что их четыре, пока вдруг не обнаружили новое состояние вещества — когерентное квантовое состояние. Оно проявляется в нескольких квантовых эффектах: сверхтекучесть, сверхпроводимость, бозе-конденсат и не только. Есть предположение, что Вселенная — это тоже когерентное квантовое состояние того, чего мы ещё, в общем-то, и не знаем. Природа Большого взрыва, тёмная материя и т. д.
Однако для изучения этого состояния нам сначала пришлось получить сверхтекучий гелий-3. А гелий-3 — это комплексная система, потому что там есть и спиновая сверхтекучесть, и массовая сверхтекучесть, и всякие акустические явления. Она очень интересна для квантовой физики, гораздо интереснее, чем простая сверхтекучесть и простая сверхпроводимость.
Но для этого надо было создать в СССР экспериментальную установку, способную охладить гелий-3 до очень низкой температуры — порядка одного микрокельвина. Экспериментальную установку мы делали в Институте физических проблем по поручению Петра Леонидовича Капицы. Он предложил создать такую установку молодёжному коллективу под моим и академика Боровика-Романова руководством.
Когда эта работа начиналась, я был аспирантом. Молодой, коммунальная квартира и так далее и тому подобное. И вдруг меня приглашают в Финляндию на три года делать тот самый эксперимент, который я придумал. Я тогда сказал, что я человек, подвластный Капице, так что пусть Капица и решает, отпускать меня или не отпускать. Финский профессор написал письмо Капице с просьбой отдать меня ему. Капица вызвал меня и сказал: «Юра, вот у вас очень интересная идея, такая интересная, что её никому нельзя отдавать. Почему? Если финны это сделают, все забудут, что это ваша идея, и всё будет принадлежать финнам. Поэтому нужно сделать это здесь, у меня».
Но нужных установок у нас в стране тогда не было. Не было таких низких температур, в этом мы тогда сильно отстали. Я согласился делать установку в Институте физических проблем, но при условии, что мои заказы на изготовление частей установки будут поступать в работу без очереди. И действительно, Капица своё слово сдержал. Я непрерывно конструировал детали установки. В течение трёх лет установка была создана. И она сразу вошла в число нескольких мировых топ-установок сверхнизких температур. Это был 1984 год. На Западе установки такого типа тоже тогда делались примерно за такое же время.
Первым открытием на этой установке стало обнаружение нового сверхтекучего состояния — бозе-конденсации магнонов. Это аналог сверхпроводимости электронов, где вместо них текут магноны — элементарные возбуждения магнитного упорядоченного состояния. То есть переносится не электрический заряд, а магнитный момент атомов гелия-3. За это открытие в 1993 году мы получили Государственную премию Российской Федерации.
Затем, с нашим участием, это состояние было получено в различных экспериментах — в Хельсинки, Гренобле, Киото, Токио, Кошице, Корнелле и Ланкастере. Фактически создалась международная группа, занимавшаяся исследованиями этого явления в сверхтекучем гелии-3. А уже в 2008 году наши работы были удостоены международной престижной премии UPAP (International Union of Pure and Applied Physics. — Прим. ред.) имени Фрица Лондона. Её присудили именно за открытие и обнаружение бозе-конденсации магнонов в сверхтекучем гелии-3.
Здесь надо пояснить, что существует два типа частиц: бозе-частицы и ферми-частицы. Если ферми-частицы жуткие индивидуалисты и не могут находиться в одном состоянии, то бозе-частицы, напротив, проявляют свойства коллективизма. Однако нужны безумно низкие температуры, чтобы этот коллективизм не разрушался тепловым движением. Почему? Потому что массы атомов большие, а значит, длины волн, соответствующие этим атомам, очень маленькие. Для бозе-конденсации нужно, чтобы волны соседних атомов перекрывались, а тепловое движение не разрушало их взаимодействие.
Облако бозе-частиц, охлаждённое до температур, близких к абсолютному нулю, начинает действовать как единая «суперчастица». Это состояние, когда все атомы синхронно ведут себя как единое целое, и есть бозе-эйнштейновский конденсат, или бозе-конденсат (БЭК), — особая форма материи, которую часто называют пятым агрегатным состоянием. Внутри него рождаются необычные квантовые эффекты. Впервые БЭК атомов удалось создать экспериментально только в 1995 году*, спустя 70 лет после того, как его существование предсказал Альберт Эйнштейн.
* За эту работу Эрику Корнеллу, Карлу Виману и Вольфгангу Кеттерле была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года. — Прим. ред.
— А что такое магноны?
— Кроме атомов, существуют и другие частицы, а также так называемые квазичастицы. Квазичастицы — условные частицы, с помощью которых физики описывают коллективное движение множества реальных частиц в среде. Они нестабильны. При своём рождении они поглощают некоторую энергию, а потом через какое-то время распадаются, высвобождая её. Так, в магнитно-упорядоченных веществах (магнетиках) все спины находятся в упорядоченном состоянии, например, спины соседних атомов ориентированы антипараллельно друг другу. При возбуждении магнитной системы часть спинов, поглотив квант энергии, переворачивается и возникает возмущение — квазичастица, которая называется магноном. В результате вещество становится немножко другим, потому что в нём уже не все атомы взаимно друг против друга ориентированы. На это нужно потратить энергию — это и есть энергия магнона.
При разных условиях магноны могут стоять на месте, а могут бежать в пространстве, образуя спиновые волны, которые нашли применение в различных устройствах. Как правило, их движение происходит в соответствии с теорией Ландау — Лифшица. В наших экспериментах мы создаём условия, когда магноны не двигаются. Так же, как и в атомарном БЭК.
Масса магнонов приблизительно равна массе электронов. Но электроны — это заряженные частицы, они друг с другом очень сильно взаимодействуют. К тому же они фермионы. То есть им запрещено быть в одинаковых состояниях. Но если они объединяются в пары, то становятся бозонами. И при очень низких температурах возникает их когерентное состояние, которое является сверхпроводящим, то есть это сверхпроводимость. Масса магнонов на три порядка меньше, чем масса атомов, и, соответственно, температура образования бозе-конденсата для них должна быть на три порядка выше. В нашем случае, когда мы создаём магноны и доводим их концентрацию до относительно больших значений, оказывается, что мы даже при комнатной температуре можем достичь для них условия бозе-конденсации.