Знакомый звук лета — пульсирующий гул от стай цикад. Их пение начинается на рассвете, но было неясно, что именно запускает этот хор — свет, температура или какой-то другой сигнал. Теперь группа исследователей изучила аудиозаписи из дикой природы и обнаружила, что пение цикад синхронизировано с определённым положением Солнца в небе. Резкое увеличение интенсивности пения говорит о том, что каждая цикада решает начать петь в ответ на уровень освещённости и поведение своих соседей. Результаты могут помочь исследователям разработать общие модели принятия решений.
Самцы цикад поют, чтобы привлечь самок, создавая звук с помощью мембранных структур на своих брюшках. Эта серенада часто включает в себя одновременное пение тысяч насекомых. «Их крики не только чрезвычайно громкие, но и удивительно синхронизированные — начинаются и заканчиваются резко, коллективно», — говорит Ракеш Ханна, инженер и учёный-любитель из Бангалора, Индия.
Подобное коллективное поведение известно у птиц и других насекомых, но механизм, запускающий хор цикад, ранее не изучался. Из любопытства Ханна несколько лет назад начал записывать цикад, используя аудиооборудование, которое он установил в лесных районах вокруг Бангалора. Чтобы помочь расшифровать записанные данные, Ханна связался с Рэймондом Голдштейном из Кембриджского университета в Великобритании и его коллегами, которые недавно обнаружили интерактивное поведение в сроках появления периодических цикад. Вместе они проанализировали записи песен и разработали модель поведения цикад.
Команда сосредоточилась на записях, охватывающих две недели в апреле и мае 2023 года, и обнаружила, что цикады поют в, казалось бы, случайное время, кроме начала и конца дня. «Первое, что бросается в глаза, — это то, что явно есть рассветный хор и явно есть сумеречный хор», — говорит Голдштейн. Исследователи обнаружили, что за исключением нескольких облачных утра, рассветный хор последовательно начинался, когда Солнце было на 3,8° ниже горизонта, что говорит о том, что цикады решают петь, когда яркость предрассветного неба достигает определённого уровня.
Однако если бы дело было только в измерении яркости, то можно было бы ожидать больших вариаций во времени начала пения. «Сколько света видит отдельная цикада, будет зависеть от многих вещей, таких как их нейронная обработка и количество близлежащей растительности», — говорит Голдштейн. Но данные показывают очень небольшие вариации во времени начала. Фактически, как только одна смелая особь нарушает утреннюю тишину, все остальные цикады быстро присоединяются к ней в течение минуты или около того.
Чтобы объяснить это поведение, исследователи разработали модель, в которой цикада представлена магнитной частицей, или спином, внутри магнитного материала. Каждый спин может быть направлен вверх или вниз, точно так же, как каждая цикада может петь или не петь. Изначально все спины направлены вниз, но затем медленно включается направленное вверх магнитное поле, представляющее медленно светлеющее небо. Спины начинают переворачиваться вверх, и можно рассчитать, сколько времени потребуется, чтобы все спины выровнялись с полем — или, что то же самое, сколько времени потребуется, чтобы все цикады запели.
Если спины действуют независимо, то время их переворота должно сильно различаться, и для полного выравнивания потребуется относительно много времени. Однако если спины взаимодействуют друг с другом, то выравнивание может быть быстрым. Исследователи обнаружили, что модель взаимодействия спинов лучше соответствует их данным, чем модель независимого взаимодействия. Это означает, что цикады реагируют на пение своих соседей. «Они делают весь этот шум не просто так, поэтому, когда они слышат, что начинается хор, они отвечают на него», — говорит Голдштейн.
Модели, основанные на спинах, использовались и ранее для изучения групповых решений, например, когда зрители решают, когда аплодировать во время выступления. Каждая отдельная личность осознаёт общедоступную информацию, будучи связанной с набором соседей, которые также находятся в процессе принятия решений. Вопросы о восприятии цикадами остаются открытыми, но эта физическая модель пения цикад указывает путь к лучшему пониманию физиологии принятия решений, говорит Голдштейн.
Что касается того, почему цикады предпочитают петь вместе, то одно из объяснений состоит в том, что это снижает угрозу со стороны хищников, говорит эколог Альмо Фарина из Университета Урбино в Италии. Одинокая поющая цикада была бы лёгкой мишенью для хищников. «Быть многочисленными — это большое эволюционное преимущество», — говорит Фарина. Он считает, что модель Голдштейна и его коллег может быть применена к другим организмам.
Хиральная сверхпроводимость в ромбоэдрическом графене
Кристаллы, состоящие из нескольких слоёв графена, ещё более интригующи, чем оригинальный однослойный материал. Один из способов их изготовления — сдвигать каждый вновь уложенный слой вбок на треть ширины элементарной ячейки. Этот так называемый ABC-стекинг повторяется каждые три слоя в узоре, напоминающем ромбоэдр. Сверхпроводимость была обнаружена в ромбоэдрическом графене четыре года назад. Теперь Лонг Джу из Массачусетского технологического института и его коллеги нашли два новых сверхпроводящих состояния в этом материале.
Каждое состояние демонстрирует как хиральность, так и магнетизм — сочетание свойств, которое ранее не наблюдалось в сверхпроводниках. Результаты предполагают, что исследователи могут приблизиться к так называемой топологической сверхпроводимости — типу электронного состояния, который может оказаться полезным в будущих квантовых компьютерах с меньшей вероятностью ошибок. «Ромбоэдрический графен, вероятно, является лучшим кандидатом для топологического сверхпроводника», — говорит физик Андреа Янг из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который не участвовал в исследовании.
Интерес к ромбоэдрическому графену связан с формой его зон. В то время как зоны проводимости и валентные зоны однослойного графена резко сходятся в одной точке, ABC-стекинг расщепляет эти точки и сглаживает зоны. Электроны, занимающие плоскую зону, имеют одинаковую низкую энергию независимо от их импульса. Взаимодействие между этими медленными электронами относительно сильнее, чем у электронов, занимающих более резкие зоны, характерные для полупроводников.
В ромбоэдрическом графене сочетание плоских зон, кристаллических симметрий и правил заполнения электронами создаёт волнообразный, спин-зависимый ландшафт, где могут возникать различные коллективные электронные явления. Экспериментаторы могут управлять электронами в этом ландшафте двумя основными способами. Во-первых, они могут вводить дополнительные электроны в кристалл, что увеличивает плотность и перемещает электроны в более высокие энергетические состояния. Во-вторых, исследователи могут подавать напряжение через кристалл, поднимая и выравнивая сам ландшафт.
Джу и его коллеги следовали этому двухкомпонентному подходу, который уже позволил им и другим обнаружить сверхпроводимость, ферромагнетизм и дробный квантовый аномальный эффект Холла в ромбоэдрическом графене. Команда изготовила образцы ромбоэдрического графена из 4 и 5 слоёв и оснастила их электродами. Они измерили сопротивление и обнаружили, что оно исчезло в трёх отдельных областях в пространстве параметров приложенного электрического поля и плотности введённых электронов. Эти области — которые команда обозначила как SC1, SC2 и SC3 — не были идентифицированы в предыдущих исследованиях сверхпроводимости в ромбоэдрическом графене.
Чтобы исследовать эти новые сверхпроводящие состояния, исследователи сосредоточились на типе спаривания электронов в каждой области. Пары электронов характеризуются их полным спином S и орбитальным угловым моментом L. Поскольку пара состоит из двух фермионов со спином 1/2, значение S равно 0 или 1. И поскольку волновая функция пары антисимметрична, значение L зависит от S: если S = 0, L должно быть чётным целым числом; если S = 1, L должно быть нечётным целым числом. Особенно интересной комбинацией является S = 1 и L = 1, поскольку это состояние будет хиральным.
Чтобы определить значения S и L в трёх сверхпроводящих состояниях, Джу и его коллеги провели ряд тестов. Применение умеренного перпендикулярного магнитного поля в 0,1 тесла (Т) оказалось достаточным, чтобы разрушить SC3, предполагая, что пары электронов в этом сверхпроводящем состоянии имеют антипараллельное (S = 0) спаривание и что их связь основана на общепринятой модели Бардина — Купера — Шриффера. Но SC1 и SC2 выжили при температуре выше 0,6 Т. Более того, SC1 и SC2 были также в значительной степени невосприимчивы к применению магнитного поля в плоскости, что говорит о том, что электроны имеют параллельное (S = 1) спаривание.
Измерить L напрямую невозможно, но исследователи обнаружили убедительные доказательства того, что L отличен от нуля в SC1 и SC2. Во-первых, они наблюдали гистерезис в сопротивлении своих образцов при изменении приложенного магнитного поля между значениями –0,1 и +0,1 Т. Такой гистерезис указывает на ферромагнетизм в состояниях SC1 и SC2. Кроме того, сопротивление соседнего металлического состояния демонстрировало эффект Холла при 0 Т, то есть аномальный эффект Холла. И ферромагнетизм, и аномальный эффект Холла являются проявлениями электронов с ненулевым орбитальным моментом.
Тот факт, что SC1 и SC2 являются магнитными и хиральными, предполагает, что связь между электронами может отличаться от более традиционных сверхпроводников. Действительно, если связь сближает спаренные электроны достаточно близко друг к другу, они могут сформировать топологическое сверхпроводящее состояние. Подписью топологической сверхпроводимости были бы моды Майораны — устойчивые коллективные топологические состояния, которые, как предполагается, будут располагаться вдоль краёв этих материалов. Однако если спаренные электроны окажутся слишком близко, то они не смогут сформировать топологическое состояние.
Даже если ни SC1, ни SC2 не окажутся топологическими, они всё равно уникальны. «SC1 и SC2 феноменологически отличаются от всех других сверхпроводников, что является замечательным фактом, учитывая долгую историю изучения сверхпроводимости», — говорит Джу.