Фазовые переходы в природе могут быть весьма сложными для изучения. Хотя процессы плавления льда или кипения воды хорошо известны, в квантовой механике наблюдаются удивительные изменения, которые ставят под сомнение традиционные теории. Недавнее международное исследование, опубликованное в журнале Science Advances, углубляет наше понимание деконфинированных квантовых критических точек (ДККП) — редких фазовых переходов, при которых материя напрямую переходит между двумя упорядоченными состояниями, избегая беспорядка. Это противоречит теории Ландау, предполагающей, что все фазовые переходы основываются на нарушении симметрии.
«ДККП представляют собой поразительный парадокс в квантовой физике. В отличие от обычных переходов, ДККП описывают трансформацию между двумя упорядоченными фазами без прохождения через хаос» — отмечает Менгхан Сонг из Гонконгского университета.
Эти открытия не только расширяют теоретическую базу знаний, но и могут стать основой для новых технологических достижений, таких как квантовые компьютеры и высокотемпературные сверхпроводники.
Переходы ДККП можно сравнить с превращением одного типа кристаллического льда в другой, минуя стадию плавления. Сонг поясняет: «Представьте себе лед с гексагональной структурой, превращающийся в квадратную без таяния. Это похоже на переход между двумя языками с различными алфавитами — невозможно просто изменить правила для одного, чтобы получить другой». Такие переходы предполагают существование сложных моделей квантовой запутанности, связывающих фазы и открывающих путь к новым состояниям материи.
Для исследования этого явления команда Сонга использовала квантовое моделирование с применением метода Монте-Карло, изучая системы с симметрией SU(N), что дало возможность физикам изменять симметрию системы.
«Модель с квадратной решеткой и SU(N) является одной из лучших для изучения ДККП. С увеличением N переходы становятся более похожими на непрерывные, а аномалии исчезают», — отмечает Сонг.
Команда также использовала энтропию запутанности как глобальный диагностический инструмент, что помогло выявить скрытые закономерности в квантовых материалах и разрешить давние споры о природе ДККП.
«Энтропия запутанности предоставляет четкий критерий, который позволяет нам понять, совместимы ли ДККП с непрерывным переходом», — добавляет Сонг.
Исследования показали, что при малых значениях N ДККП демонстрируют аномальное поведение, но с увеличением N система начинает вести себя как непрерывная, что является важным шагом в решении давних научных вопросов. Работа Сонг и ее команды проливает свет на сложный мир квантовой материи, из которого возникают новые формы порядка.
Ранее сообщалось, что телескоп SPHEREx будет создавать трёхмерную карту инфракрасного неба.