Не все фазовые переходы в природе просты. В то время как таяние льда или кипение воды хорошо изучены, некоторые из самых интригующих изменений происходят в причудливом мире квантовой механики, и они бросают вызов классическим правилам.
Новое международное исследование, в журнале Science Advances, делает большой шаг вперед в понимании деконфинированных квантовых критических точек (ДККП), редких и парадоксальных фазовых переходов, когда материя переходит между двумя различными типами порядка, не проходя через беспорядок. Эти переходы идут вразрез с устоявшейся теорией Ландау, которая была основой теории фазовых переходов на протяжении почти столетия.
«ДККП представляют собой захватывающий парадокс в квантовой физике», — сказал Менгхан Сонг, аспирант Гонконгского университета и соавтор исследования. «В отличие от традиционных фазовых переходов, которые включают в себя переход между порядком и беспорядком, ДККП описывают переход между двумя различными упорядоченными фазами. Это противоречит столетней теории фазовых переходов Ландау, которая предполагает нарушение симметрии как основу всех фазовых переходов».
Эти результаты не только дают новые теоретические знания, но и могут проложить путь для будущих технологических прорывов. Считается, что ДККП лежат в основе таких экзотических материалов, как квантовые спиновые жидкости, которые могут быть использованы в квантовых компьютерах нового поколения или высокотемпературных сверхпроводниках.
Переход из одной фазы в другую
ДККП не похожи на процесс плавления или кипения, они позволяют веществу переходить из одного упорядоченного состояния в другое напрямую, подобно превращению одного вида кристалла льда в другой без плавления.
«Представьте себе два вида льда: один с гексагональным узором, а другой - с квадратным», — объясняет Сонг. «Традиционный фазовый переход похож на таяние льда в воде (порядок → беспорядок). ДККП же похож на трансформацию льда непосредственно между гексагональным и квадратным узорами, причем таяние не требуется».
Сюрприз заключается в том, что эти фазы обладают несовместимыми симметриями, что делает их прямую трансформацию одновременно удивительной и значимой. Это похоже на переход между двумя языками с совершенно разными алфавитами — ни один из них не может быть получен из другого путем простого «нарушения» правил», — говорит Сонг. Такие переходы предполагают существование экзотических моделей квантовой запутанности, которые действуют как «клей» между фазами, открывая двери к ранее невообразимым состояниям материи».
Моделирование квантовых переходов с помощью запутанности
Для изучения этого явления Сонг и его соавторы из Йельского университета, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Рурского университета в Бохуме, Дрезденского университета и Китайского университета Гонконга использовали квантовое моделирование методом Монте-Карло для моделирования систем, управляемых спиновой симметрией SU(N) - математической схемы, которая позволяет физикам изменять симметрию системы путем изменения параметра N.
«Модель SU(N) с квадратной решеткой — одна из простейших моделей, реализующих ДККП, которая позволяет избежать "проблемы знака"... что дает возможность проводить точные квантовые расчеты методом Монте-Карло», — говорит Сонг. «Кроме того, предыдущая литература... говорит о том, что с увеличением N критическое поведение становится похожим на непрерывный фазовый переход, а аномалии, наблюдаемые в случае SU(2), постепенно исчезают».
Команда также использовала энтропию запутывания в качестве ключевого диагностического инструмента — глобальную меру квантовой информации, разделяемой между частями системы, которая часто используется для выявления скрытых закономерностей в квантовых материалах. Такой подход позволил преодолеть давние теоретические споры об истинной природе ДККП.
«Энтропия запутывания как глобальная мера квантового состояния дает довольно ясный и качественный критерий», — добавил Сонг. «... Исходя из этого четкого критерия, мы можем исследовать, совместимы ли ДККП с описанием непрерывного фазового перехода».
Порог для другой квантовой фазы
Исследователи обнаружили, что при малых значениях N поведение ДККП отклоняется от ожиданий плавных, непрерывных переходов. Вместо этого они наблюдали аномальное логарифмическое масштабирование энтропии запутанности — признак того, что переход может быть первого порядка или иным образом не совпадать.
Однако с увеличением N поведение системы стало соответствовать рамкам конформных неподвижных точек — математических моделей, описывающих плавные и непрерывные переходы. Это позволило выявить критический порог N, выше которого ДККП можно рассматривать как непрерывную систему, что стало значительным шагом вперед в разрешении споров, длившихся десятилетиями.
Пока физики продолжают исследовать этот рубеж, работа Сонг и ее коллег проливает свет на один из самых загадочных и многообещающих уголков квантовой материи, где границы между состояниями растворяются, а из запутанного квантового тумана возникают совершенно новые формы порядка.