Похоже на черные дыры. Физики объяснили переход экзотических состояний вещества в сверхбыстрые режимы
Группа физиков нашла математическое решение, демонстрирующее, как фрустрированный квантовый магнит может переходить от сверхмедленного поведения спиновых стекол к сверхбыстрым запутанным состояниям, напоминающим физику черных дыр.
Группа ученых из Университета Буффало совместно с коллегами из Гарвардского университета разгадала сложную математическую загадку. Они сумели установить четкую связь между сверхмедленным квантовым магнетизмом и сверхбыстрой динамикой, обычно описывающей процессы внутри черных дыр.
Результаты этого исследования, опубликованного в издании Physical Review Letters, открывают новые горизонты в понимании экзотических состояний материи и разработке перспективных квантовых технологий.
Главным объектом изучения стали так называемые спиновые стекла. В этих состояниях материи атомные магнитные спины ориентированы в неупорядоченном направлении и практически застывают на месте. Благодаря этому свойству реакция на какие-либо внешние возбуждения происходит крайне медленно, что делает спиновые стекла идеальными для длительного хранения информации, а также для решения сложных задач оптимизации в области искусственного интеллекта. До сих пор описание поведения таких систем при очень низких температурах оставалось серьезным вызовом для теоретиков.
На противоположном полюсе находится модель Сачдева-Е-Китаева (SYK), активно используемая физиками для изучения черных дыр, квантового хаоса и других экзотических феноменов. В этой модели частицы настолько сильно переплетены квантовой запутанностью, что информация внутри системы содержится и перемешивается с невероятной скоростью — подобно тому, как это происходит по горизонту событий черной дыры. Исследователи пытались выяснить, что происходит со спиновым стеклом в случае резкого усиления квантовых флуктуаций.
Используя передовые методы квантовой теории поля, ученые обнаружили удивительное явление. Вместо ожидаемой дополнительной заморозки при охлаждении до сверхнизких температур квантовые эффекты способны буквально «расплавить» спиновое стекло. Флуктуации разрушают синхронизированное расположение спинов, заставляя систему переходить к состоянию со сверхбыстрой, сильно запутанной динамикой типа SYK, где частицы теряют свою индивидуальность.
Старший автор исследования Джамир Марино отмечает, что команда нашла математическое объяснение перехода материи из одного из самых медленных состояний квантовой динамики в одно из самых быстрых. Осознание этого механизма и изучение всех промежуточных состояний в будущем поможет инженерам гораздо более эффективно контролировать процессы хранения, защиты и распространения информации в новейших квантовых компьютерах и сетях.