Почему некоторые изменения в природе происходят постепенно, а другие — в мгновение ока?
Образование ржавчины на металле — это медленный, постепенный процесс, который занимает дни или даже недели, прежде чем станет заметным. Напротив, энергосистема может рухнуть за считанные секунды. Что обуславливает эту разницу?
Исследовательская группа из Университета Бар-Илан обнаружила удивительный механизм, лежащий в основе этих резких переходов, — скрытую спонтанную последовательность микроскопических событий, которые постепенно дестабилизируют систему до тех пор, пока она не разрушится. Их открытие проливает новый свет на то, как ведут себя сложные системы вблизи критических переломных моментов, и предлагает новый способ предвидеть и, возможно, даже предотвращать катастрофические сбои.
Исследование
В своём исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда под руководством профессоров Шломо Хавлина и Авиада Фридмана вместе с исследователями из Университета Бар-Илан — Ирой Волоценко, Ювалем Саллемом и Нахалой Ядид, а также постдокторантами Бнаей Гроссом (Северо-Восточный университет) и Иваном Бонамассом (Венский университет CEU) — изучила 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. Хотя каждая сетка может функционировать независимо, наиболее примечательное поведение проявляется, когда они взаимодействуют посредством теплообмена.
Что вызывает загадочную паузу?
Ответ кроется в спонтанном каскадном процессе. Когда отдельный сегмент одной сети переходит из сверхпроводящего состояния в резистивное, он выделяет тепло. Это тепло воздействует на случайный сегмент во второй сети, вызывая другое изменение. Одно изменение вызывает другое, подобно падающим домино, но не по прямой линии, а разбросанным в пространстве, каждое из которых опрокидывает следующее через косвенные связи.
Эта цепная реакция, хотя сначала и медленная, и локализованная, создаёт условия для внезапного глобального коллапса, подобно последнему моменту в игре в Дженгу, когда структура тихо ослабела с каждым удалённым блоком, пока удаление одного последнего блока не обрушило всё.
В основе этого поведения лежит концепция, известная как коэффициент разветвления — термин, получивший известность во время пандемии COVID-19. Он представляет среднее количество новых изменений, вызванных каждым событием. Когда коэффициент разветвления меньше единицы, каскад быстро затухает. Если он превышает единицу, процесс ускоряется неконтролируемо.
Но когда коэффициент разветвления равен единице, система достигает критической точки, деликатно балансируя между стабильностью и каскадным коллапсом.
Значимость открытия
Это открытие важно, поскольку оно показывает, как крошечные, случайные изменения, изначально безобидные, могут вызвать внезапные, масштабные трансформации. Примечательно, что оно также даёт нам мощный инструмент: отслеживая, насколько сильно распространяется каждое небольшое изменение (коэффициент разветвления), мы можем предсказать, когда система — будь то высокотехнологичный материал, электросеть или даже экосистема — приближается к критическому сбою.
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 быстро растущие доказательства того, что, когда материалу не хватает инверсионной симметрии, привычная линейная связь между током и напряжением может нарушаться, приводя к поразительным квадратичным реакциям.
Исследование проводилось под руководством Мануэля Суареса-Родригеса под руководством профессоров Икербаску Фельикса Касановы и Луиса Э. Уэсо в CIC nanoGUNE вместе 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 многообещающей области».
Соавторы Фернандо де Хуан (Международный физический центр Доностии, DIPC) и Иво Соуза (CFM) помогли прояснить, как нарушение инверсионной симметрии открывает новые микроскопические механизмы — главными из которых являются 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 нового 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 встроенных радиочастотных комбайнов и биосенсоров.
Обзор уже служит дорожной картой для исследователей, разрабатывающих квантовую электронику, где «нарушение правил» закона Ома является ключевым.