Почему некоторые изменения в природе происходят постепенно, а другие — в мгновение ока?
Ржавчина на металле — это медленный, постепенный процесс, который становится видимым через несколько дней или даже недель. Напротив, энергосистема может рухнуть за считанные секунды. Чем объясняется такая разница?
Исследовательская группа из Университета Бар-Илан обнаружила удивительный механизм, лежащий в основе этих резких переходов — скрытую спонтанную последовательность микромасштабных событий, которые постепенно дестабилизируют систему до её обрушения.
Их открытие проливает новый свет на то, как ведут себя сложные системы вблизи критических переломных моментов, и предлагает новый способ прогнозирования и, возможно, предотвращения катастрофических сбоев.
В опубликованном в Nature Communications исследовании
Группа под руководством профессоров Шломо Хавлина и Авиада Фридмана вместе с исследователями из Университета Бар-Илан — Ирой Волоценко, Ювалем Саллемом и Нахалой Ядид, а также постдокторальными сотрудниками Бная Гроссом (Северо-Восточный университет) и Иваном Бонамассом (Венский университет CEU) — исследовала новую экспериментальную систему: взаимозависимые сети сверхпроводников.
Эти сети состоят из двух перекрывающихся сеток сверхпроводящих проводов — материалов, которые проводят электричество без сопротивления при охлаждении ниже критической температуры.
Когда такая система приближается к «критической» точке, например, при увеличении электрического тока, она не переходит плавно из сверхпроводящего состояния в резистивное. Вместо этого система задерживается на сотни секунд в долгоживущей промежуточной фазе. Затем, без дополнительного внешнего воздействия, она резко переходит в новое состояние. Что вызывает эту загадочную паузу?
Ответ кроется в спонтанном каскадном процессе. Когда один сегмент одной сети переключает свою фазу из сверхпроводящего в резистивное состояние, он выделяет тепло. Это тепло влияет на случайный сегмент во второй сети, вызывая другое изменение. Одно изменение вызывает другое, как домино, падающее не по прямой линии, а разбросанное в пространстве, каждое опрокидывая следующее через косвенные связи.
Эта цепная реакция, хотя и медленная и локализованная вначале, создаёт условия для внезапного глобального коллапса, подобно последнему моменту в игре в Дженгу, когда структура тихо ослабла с удалением каждого блока, пока удаление одного последнего блока не обрушило всё.
В основе этого поведения лежит концепция, известная как фактор ветвления — термин, получивший известность во время пандемии COVID-19. Он представляет собой среднее количество новых изменений, вызванных каждым событием. Когда фактор ветвления меньше единицы, каскад быстро затухает. Если он превышает единицу, процесс ускоряется неконтролируемо.
Но когда фактор ветвления равен единице, система достигает критической точки, деликатно балансируя между стабильностью и каскадным коллапсом.
Потенциальный сигнал раннего предупреждения
Измерения в реальном времени этого фактора ветвления в сверхпроводящих системах, проведённые командой Университета Бар-Илан, дают редкую возможность заглянуть в этот критический режим и, что более важно, предлагают потенциальный ранний предупреждающий сигнал о том, что сложные системы вот-вот рухнут.
Это открытие важно, поскольку оно показывает, как крошечные, случайные изменения, изначально безобидные, могут вызвать внезапные, спонтанно масштабные трансформации. Примечательно, что оно также даёт нам мощный инструмент: отслеживая, насколько каждое небольшое изменение распространяется (фактор ветвления), мы можем предсказать, когда система — будь то высокотехнологичный материал, электросеть или даже экосистема — приближается к критическому разрушению.
Так что в следующий раз, когда что-то внезапно выйдет из строя, будь то отключение электроэнергии или системный сбой, помните: семена коллапса могли быть посеяны гораздо раньше, одно тихое изменение за раз.
Нелинейный транспорт в системах без центральной симметрии
В обзоре, только что опубликованном в Nature Materials, исследователи ставят под сомнение старейший принцип электроники: закон Ома.
Их статья «Нелинейный транспорт в системах без центральной симметрии» объединяет быстрорастущие доказательства того, что, когда материалу не хватает инверсионной симметрии, знакомая линейная связь между током и напряжением может нарушаться, приводя к поразительным квадратичным откликам.
Исследование проводилось под руководством Мануэля Суареса-Родригеса под руководством профессоров Икербаску Фельикса Касановы и Луиса Э. Уэсо в CIC nanoGUNE совместно с профессором Марко Гобби в Центре физики материалов (CFM, CSIC-UPV/EHU).
«За последние пять лет мы наблюдали многочисленные сообщения о нелинейных транспортных эффектах, тесно связанных с симметрией материала-хозяина», — объясняет ведущий автор Суарес-Родригес. «Как только мы осознали эту связь, нашей целью было объединить разрозненные результаты в связную картину, которую физики конденсированных сред и материалов могут использовать для развития этой перспективной области».
Соавторы Фернандо де Хуан (Международный физический центр Доностии, DIPC) и Иво Соуза (CFM) помогли прояснить, как нарушение инверсионной симметрии открывает новые микроскопические механизмы — главные из них — диполь кривизны Берри и недавно предложенная поляризуемость связи Берри, — которые генерируют нелинейные напряжения и напряжения выпрямления непосредственно из приложенного смещения.
«Поскольку эти механизмы являются внутренними для самого материала, а не для интерфейсов или внешних стимулов, они могут работать в широком диапазоне частот и вплоть до предела однослойности», — добавляет Суарес-Родригес.
Помимо фундаментального интереса, команда выделяет два направления применения. Во-первых, нелинейные эффекты предоставляют универсальный и мощный способ исследования преобразования заряда в спин, помогая идентифицировать материалы-кандидаты для спинтроники следующего поколения.
Во-вторых, эти эффекты можно использовать для беспроводного выпрямления радиочастот, обещая уменьшение размеров на несколько порядков по сравнению с современными устройствами и позволяя выпрямление на микроуровне или даже ниже, открывая возможности для внутрисхемных радиочастотных харвестеров и биосенсоров.
Обзор уже служит дорожной картой для исследователей, разрабатывающих квантовую электронику, где «нарушение правил» закона Ома является ключевым.