Ученые нашли способ надежно удерживать образцы в состоянии, близком к абсолютному нулю, больше десяти часов. И все это время они могут рассматривать их в электронный микроскоп вплоть до уровня отдельных атомов. Раньше такое было просто невозможно.

Секрет кроется в особом держателе для образцов, который охлаждается жидким гелием. Его придумали и собрали инженеры и ученые из Мичиганского и Гарвардского университетов, а деньги на исследование дали Министерство энергетики США и Национальный научный фонд.

Обычное оборудование может продержать образец при такой чудовищной температуре — примерно минус 423 градуса по Фаренгейту, что всего на 36 градусов выше абсолютного нуля — от силы несколько минут. В лучшем случае пару часов. Но чтобы разглядеть, как устроены материалы, из которых мы хотим делать компьютеры будущего или сверхпроводники, нужно гораздо больше времени.

Речь про те самые материалы, которые при обычных условиях ведут себя скучно, но на экстремальном холоде превращаются в нечто невероятное. Например, становятся сверхпроводниками, передающими ток без потерь. Или из них можно делать кубиты для квантовых компьютеров, которые в миллионы раз быстрее нынешних машин. А еще есть нейроморфные процессоры, которые пытаются копировать устройство человеческого мозга, чтобы работать эффективнее.

Подробности опубликованы в издании PNAS.

Роберт Ховден, профессор материаловедения из Мичиганского университета и один из авторов работы, объясняет все просто:

Когда атомы остывают до такой степени, они почти перестают двигаться. И поведение материала меняется кардинально. Металл может вдруг стать изолятором или, наоборот, сверхпроводником. Мы можем создавать на их основе новые типы памяти для компьютеров. Но чтобы понять, как это работает, нам нужно видеть материал холодным на протяжении всего эксперимента, от начала до конца.

Конечно, ученые и раньше умели охлаждать образцы, но обычно для этого использовали жидкий азот. С ним можно достичь температуры около минус 321 по Фаренгейту (77 Кельвинов) — этого достаточно, чтобы разглядеть атомы белков или некоторых материалов. Однако для изучения квантовых свойств и более четкой картинки нужно еще холоднее. Тут на помощь приходит жидкий гелий, который закипает только при минус 452 по Фаренгейту (4 Кельвина), позволяя подобраться к абсолютному нулю вплотную.

Но с гелием и вышла загвоздка. В обычных микроскопах образец крепится на стержне, который соединен с сосудом Дьюара — этакой большой термос. Заливаешь в него жидкий гелий, а он моментально начинает кипеть и бурлить. Ховден сравнивает это с тем, как плеснуть водой на раскаленную лаву. Сосуд трясет, стержень то сжимается, то расширяется от перепадов температуры, и образец ходит ходуном. Ни о какой четкой картинке на атомном уровне речи не идет. К тому же гелий испаряется за считанные минуты.

Новая разработка решает все эти проблемы. Их держатель может держать образец при температуре до минус 423 градусов по Фаренгейту (20 Кельвинов) больше десяти часов. И что самое важное — температура держится с точностью до 0,004 градуса по Фаренгейту (0,002 Кельвина). Это в десять раз точнее, чем все, что было раньше. Теперь можно не просто смотреть на замороженный образец, а медленно нагревать его, меняя температуру буквально по крупицам, и видеть в реальном времени, как меняется структура вещества.

Изотмаэль Эль-Баггари, физик из Гарварда, который тоже работал над этим проектом, говорит, что возможность увидеть атомную структуру в момент перехода материала из одного состояния в другое — это и есть ключ к разгадке тайн квантовых материалов.

Как же у них получилось усмирить гелий? Ученые придумали специальный теплообменник, встроенный прямо в держатель образца. Гелий прокачивается через него, охлаждая все вокруг, но при этом испаряется не внутри «термоса», а выводится наружу через выхлопное отверстие. Самое хитрое — это виброизоляция. Чтобы кипящий газ не тряс микроскоп, на концах теплообменника поставили гибкие трубочки и резиновые прокладки. Они гасят вибрацию, как рессоры у машины гасят тряску на ухабах.

Собрать такое устройство оказалось невероятно сложно. Малейшее отклонение от чертежа — и все начинает вибрировать или травить гелий. Эмили Реннич, которая сейчас учится в Стэнфорде, а во время работы над этим проектом была еще студенткой Мичиганского университета, признается, что до этого она почти ничего не умела делать руками.

Все получилось только через гору проб и ошибок и бесконечные разговоры с опытными мастерами, — вспоминает она.

Новую технологию уже внедрили в Мичиганском центре характеризации материалов. Теперь исследователи со всей страны могут ставить эксперименты, о которых раньше могли только мечтать. Миаофанг Чи, крупный специалист из Национальной лаборатории в Оук-Ридже, говорит, что ждала этого прорыва почти десять лет. По ее словам, работа этих ребят оставит глубокий след в науке.

Если отбросить сложные термины, то польза от этой штуки колоссальная, хоть и не лежит на поверхности.

• Для науки: мы наконец-то сможем увидеть своими глазами, как именно рождаются квантовые свойства. Например, что происходит с атомами в тот самый момент, когда материал перестает быть просто куском металла и становится сверхпроводником. Это как смотреть на танец, а не просто видеть фотографии танцора в разных позах. Это переворот в фундаментальном понимании физики твердого тела.
• Для реальной жизни: чем лучше мы понимаем эти процессы, тем быстрее сможем создавать реально работающие устройства. Представьте компьютер, который не нагревается и работает годами от маленькой батарейки, потому что у него нет сопротивления в проводах (спасибо сверхпроводникам). Или квантовый компьютер, который за секунду делает то, на что у нынешних суперкомпьютеров ушли бы тысячи лет. Или «мозг» для робота, который думает и учится как человек, но не жрет энергию как доменная печь. Этот держатель образцов — еще один шаг от фантастики к реальности.

При всех неоспоримых достоинствах важно отметить, что исследование описывает создание сложного и, судя по всему, довольно капризного лабораторного инструмента. В тексте неоднократно подчеркивается, каких трудов стоило его собрать без вибраций и утечек. Это наводит на мысль, что технология пока далека от коммерческого использования и вряд ли станет массовой. Скорее всего, такие держатели будут делать вручную в единичных экземплярах для ведущих лабораторий мира. Это большое достижение, но до того, чтобы каждый студент-физик мог спокойно работать при 20 Кельвинах, пока далеко. Система остается сложной и дорогой в производстве и обслуживании.

Ранее ученые разработали самый маленький датчик вибрации.