Физики нашли математическую связь между почти неподвижным квантовым магнитом и режимом, который применяют для описания некоторых процессов в чёрных дырах. Расчёты показали, как система с чрезвычайно медленной магнитной динамикой при усилении квантовых колебаний начинает вести себя совершенно иначе: информация быстро распространяется между сильно связанными частицами.
Хоссейн Хоссейнабади, Субир Сачдев и Джамир Марино изучали спиновое стекло. В таком состоянии крошечные магнитные моменты частиц направлены в разные стороны и мешают друг другу выстроиться в общий порядок. При охлаждении система словно застревает среди множества возможных конфигураций и очень медленно реагирует на изменения.
Исследователи решили проверить, что произойдёт, если квантовые колебания станут достаточно сильными. Согласно их расчётам, колебания начинают разрушать устойчивость спинового стекла и заметно снижают температуру, при которой магнитные моменты переходят в почти неподвижное состояние. Вместо простого дальнейшего замедления появляется широкий режим с совсем другой динамикой.
Математически поведение системы приближается к модели Сачдева-Йе-Китаева, сокращённо SYK. Модель описывает большое число квантовых частиц со случайными взаимодействиями, которые оказываются настолько тесно связаны, что первоначально локальная информация быстро распределяется по всей системе. Важную роль здесь играет квантовая запутанность: состояние отдельных частиц уже нельзя полноценно описывать независимо от остальных.
SYK давно привлекает физиков ещё по одной причине. Та же математическая конструкция помогает исследовать, как квантовая информация ведёт себя в некоторых теоретических моделях чёрных дыр. Поэтому найденная связь не означает, что магнит превращается в подобие чёрной дыры. Совпадает математическое описание определённого режима, а не сами физические объекты.
Неожиданность связана прежде всего с направлением изменений. Обычно охлаждение усиливает упорядоченность или замедляет движение частиц. Здесь квантовые колебания, наоборот, мешают магнитным моментам окончательно зафиксироваться и переводят систему от крайне медленной динамики к состоянию, где информация распространяется гораздо быстрее.
Полного исчезновения спинового стекла расчёты при этом не обещают. При самых низких температурах и энергиях его медленная динамика снова становится главной. Режим SYK возникает между двумя областями и сохраняется в достаточно широком диапазоне частот и температур. Поэтому корректнее говорить не о полном превращении одного состояния материи в другое, а о переходе между разными типами квантового поведения.
Работа пока остаётся теоретической. Физики рассматривали идеализированную модель Гейзенберга со случайными взаимодействиями, где каждый магнитный момент может быть связан с любым другим. Реальный материал с теми же свойствами исследователи не демонстрировали.
Найденная связь интересна тем, что объединяет два противоположных способа обращения с квантовой информацией. Спиновое стекло способно удерживать возмущение очень долго, тогда как режим SYK быстро распределяет информацию между множеством частиц. Понимание перехода между такими состояниями может пригодиться при изучении квантовой памяти, сложных магнитных материалов и способов управлять распространением информации в квантовых системах.
