Знакомый звук лета — пульсирующий гул от стай цикад. Это пение начинается с рассветом, но было неясно, что именно запускает этот хор — свет, температура или какой-то другой сигнал. Теперь группа исследователей изучила аудиозаписи из дикой природы и выяснила, что пение цикад синхронизировано с определённым положением Солнца на небе [1]. 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 пение тысяч насекомых одновременно. «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 во времени появления периодических цикад [2]. 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, за исключением начала и конца дня. «Первое, что бросается в глаза, — это то, что явно есть утренний хор и явно есть вечерний хор», — говорит Голдштейн. Исследователи обнаружили, что вне нескольких облачных утра утренний 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.
Но если бы дело было только в измерении яркости, то можно было бы ожидать значительного разброса во времени начала пения. «Сколько света видит отдельная цикада, будет зависеть от многих факторов, таких как их нейронная обработка и количество близлежащей растительности», — говорит Голдштейн. Но данные показывают очень небольшой разброс 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 независимых спинов. Это означает, что цикады реагируют на пение своих соседей. «Они издают столько шума не просто так, поэтому, когда они слышат, как 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 решения. Вопросы о восприятии цикадами остаются открытыми, но эта модель Голдштейна и его коллег может помочь лучше понять физиологию принятия решений, говорит Голдштейн.
Что касается того, почему цикады предпочитают петь вместе, то одно из объяснений заключается в том, что это снижает угрозу со стороны хищников, говорит эколог Альмо Фарина из Университета Урбино в Италии. Одинокая поющая цикада стала 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 исходный однослойный материал. Один из способов их изготовления — сдвигать каждый вновь уложенный слой вбок на треть ширины элементарной ячейки. Эта так называемая укладка ABC повторяется каждые три слоя в узоре, напоминающем ромбоэдр. Сверхпроводимость в ромбоэдрическом графене была обнаружена четыре года назад [1]. Теперь Лонг Джу из Массачусетского технологического института и его коллеги нашли два новых сверхпроводящих состояния в этом материале [2].
Каждое состояние демонстрирует как хиральность, так и магнетизм — сочетание свойств, которое ранее не наблюдалось в сверхпроводниках. Результаты позволяют предположить, 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 из всех обнаруженных», — говорит физик Андреа Янг из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который не участвовал в исследовании.
Интерес к ромбоэдрическому графену обусловлен формой его зон. В то время как зоны проводимости и валентности однослойного графена резко сходятся в одной точке, укладка ABC расщепляет эти точки и выравнивает зоны. Электроны, которые занимают 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 на кристалл, поднимая и выравнивая сам ландшафт.
Джу и его коллеги следовали этому двуединому подходу, который уже позволил им и другим учёным обнаружить сверхпроводимость, ферромагнетизм и дробный квантовый аномальный эффект Холла в ромбоэдрическом графене. Команда изготовила образцы ромбоэдрического графена, состоящие из 4 и 5 слоёв, и оснастила их электродами. Они измерили сопротивление и обнаружили, что оно исчезало 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 суммарным спином S и орбитальным угловым моментом L. Поскольку пара состоит из двух фермионов со спином 1/2, значение S равно либо 0, либо 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 для разрушения SC3, что позволяет предположить, что пары электронов в этом сверхпроводящем состоянии имеют антипараллельное (S = 0) спаривание, и что их связь основана на традиционной модели Бардина-Купера-Шриффера. Но SC1 и SC2 выжили при температуре выше 0,6 Т. Более того, SC1 и SC2 были 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 связи в более традиционных сверхпроводниках. 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 ожидается, будут располагаться вдоль краёв этих материалов. Однако если спаренные электроны окажутся слишком близко, 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.