Не все фазовые переходы в природе являются простыми. Хотя таяние льда или кипение воды являются хорошо понятными процессами, некоторые из наиболее интересных преобразований происходят в области квантовой механики, что противоречит классическим представлениям.
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.
«Квантовая физика содержит в себе ДКП, которые являются увлекательным парадоксом », — отметил Менгхан Сонг, являющийся аспирантом Гонконгского университета и одним из авторов данной работы. « ДККП отличаются от обычных фазовых переходов, характеризующихся переходом между упорядоченным и неупорядоченным состояниями. Они описывают переход между двумя различными упорядоченными фазами. Это не соответствует теории фазовых переходов Ландау, разработанной сто лет назад и постулирующей нарушение симметрии как фундаментальный принцип всех фазовых переходов ».
Полученные данные не только расширяют теоретические представления, но и открывают возможности для будущих технологических инноваций. Предполагается, что двойные кубические кристаллические структуры являются ключевыми компонентами необычных материалов, таких как квантовые спиновые жидкости, которые потенциально могут найти применение в квантовых компьютерах нового поколения или высокотемпературных сверхпроводниках.
Переход из одной фазы в другую
В отличие от процессов плавления или кипения, ДКП обеспечивают прямой переход вещества из одного упорядоченного состояния в другое, аналогично изменению структуры кристалла льда без его плавления.
«Можно представить себе два различных типа льда: один имеет гексагональную структуру, а другой – квадратную », — объясняет Сонг. «В обычном фазовом переходе наблюдается переход из упорядоченного состояния в неупорядоченное, подобно таянию льда в воде. Диффузионный коллапс фазового перехода (ДККП) же напоминает изменение структуры льда непосредственно из гексагональной формы в квадратную, минуя стадию плавления ».
Удивительно, что эти фазы характеризуются несовместимыми симметриями, что делает их непосредственная трансформация одновременно поразительной и важной. Это можно сравнить с переходом между двумя языками, использующими совершенно разные алфавиты — ни один из них не может быть выведен из другого простым способом « нарушения» правил», — отмечает Сонг. Подобные изменения указывают на возможность существования необычных форм квантовой запутанности, которые выполняют роль связующего звена между фазами, предоставляя доступ к ранее недоступным состояниям материи».
Использование квантовой запутанности для имитации квантовых переходов
Сонг и его коллеги из Йельского университета, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Рурского университета в Бохуме, Дрезденского университета и Китайского университета Гонконга применили квантовое моделирование методом Монте-Карло для исследования этого явления. Для этого они моделировали системы, подчиняющиеся спиновой симметрии SU(N) – математической модели, позволяющей физикам модифицировать симметрию системы, изменяя определенный параметр N.
«Модель SU(N) на квадратной решетке представляет собой одну из наиболее элементарных моделей, демонстрирующих динамический принцип конфигураций, что позволяет обойти «проблему знака»… и открывает возможность для проведения высокоточных квантовых расчетов методом Монте-Карло », — говорит Сонг. «Предыдущие исследования показывают, что с ростом N система демонстрирует поведение, схожее с непрерывным фазовым переходом, а особенности, характерные для SU(2), со временем уменьшаются ».
Для диагностики команда применяла запутывание, которое служит ключевым инструментом — глобальной мерой квантовой информации, распределенной между элементами системы. Этот метод часто используется для обнаружения неочевидных закономерностей в квантовых материалах и позволил разрешить многолетние теоретические разногласия относительно природы ДККП.
«Глобальная мера квантового состояния, выраженная через энтропию запутывания, предоставляет четкий и качественный критерий », — добавил Сонг. «… В соответствии с этим определенным критерием, можно изучить, соответствуют ли диэлектрические кристаллические компоненты с памятью (ДККП) характеристикам 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, это позволило рассматривать ДККП как непрерывную систему, что стало важным этапом в урегулировании многолетних разногласий.
В то время как физики продолжают изучать эту область, исследование, проведенное Сонг и ее командой, помогает лучше понять один из самых таинственных и перспективных аспектов квантовой материи. В этом направлении границы между состояниями стираются, а из переплетенных квантовых явлений формируются совершенно новые типы упорядоченности.