Физики обнаружили математическую связь между почти неподвижным квантовым магнитом и режимом SYK, используемым в теории чёрных дыр. При усилении квантовых колебаний система с чрезвычайно медленной магнитной динамикой переходит в состояние, где информация быстро распространяется между сильно связанными частицами.
Хоссейн Хоссейнабади, Субир Сачдев и Джамир Марино изучали спиновое стекло — состояние, при котором магнитные моменты частиц направлены в разные стороны и препятствуют друг другу. При охлаждении система застревает среди множества конфигураций и реагирует на изменения очень медленно.
Исследователи проверили, что произойдёт при усилении квантовых колебаний. Расчёты показали: колебания разрушают устойчивость спинового стекла и снижают температуру перехода в неподвижное состояние. Вместо дальнейшего замедления появляется широкий режим с принципиально иной динамикой.
Математическое описание системы приближается к модели Сачдева-Йе-Китаева (SYK). Модель описывает большое число квантовых частиц со случайными взаимодействиями, настолько тесно связанных, что локальная информация быстро распределяется по всей системе. Ключевую роль здесь играет квантовая запутанность: состояние отдельных частиц уже нельзя описывать независимо от остальных.
SYK привлекает физиков ещё и потому, что та же математическая конструкция помогает исследовать поведение квантовой информации в теоретических моделях чёрных дыр. Найденная связь не означает превращение магнита в подобие чёрной дыры. Совпадает математическое описание определённого режима, а не сами физические объекты.
Неожиданность в том, что квантовые колебания действуют вопреки обычным ожиданиям. Охлаждение обычно усиливает упорядоченность или замедляет движение частиц. Здесь же квантовые колебания мешают магнитным моментам окончательно зафиксироваться и ускоряют распространение информации.
Полное исчезновение спинового стекла не происходит. При самых низких температурах его медленная динамика вновь становится главной. Режим SYK возникает между двумя областями и сохраняется в широком диапазоне частот и температур. Это переход между разными типами квантового поведения, а не полное превращение одного состояния в другое.
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 такими свойствами исследователи не демонстрировали.
Найденная связь объединяет два противоположных способа обращения с квантовой информацией. Спиновое стекло удерживает возмущение 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 информацией в квантовых системах.
