Egy kvantumtrükk örök stabilitást jelent. Most Összeomlik. | Quanta Magazin

Mind a fizika, mind a mindennapi tapasztalat igazsága, hogy a dolgok szétesnek. A jég elolvad. Az épületek összeomlanak. Bármely tárgy, ha eleget vár, a felismerhetetlenségig elkeveredik önmagával és környezetével.

De 2005-től kezdve az áttörések sorozata opcionálisnak tette ezt a halálmenetet. Megfelelő kvantumbeállítás esetén az elektronok vagy atomok bármilyen elrendezése az örökkévalóságon át a helyén marad – még az aktivitástól dübörgő egyenetlen elrendezések is. A felfedezés szembeszállt azzal a hagyományos bölcsességgel, hogy a kvantumjelenségek törékeny dolgok, és csak rendkívül alacsony hőmérsékleten figyelhetők meg. A termodinamika alapjait is lyukasztotta, a fizika tiszteletreméltó ágát, amely olyan jelenségeket magyaráz, mint a hő és az entrópia, mint a hatalmas részecskerajok kölcsönhatásának elkerülhetetlen következményei.

Az eredmények sokkolták a fizikusokat, mint például Norman Yao, egy akkori végzős hallgató, aki jelenleg a Harvard Egyetem professzora. „Szent pokol” – emlékezett a gondolataira, a pokolnál erősebb szót használva. „Ha ez igaz egy kölcsönható, sokrészecskés rendszerben, akkor a statisztikai mechanika kudarcot vall. A termodinamika kudarcot vall."

Elterjedt a radikálisan új kvantumstabilitás fogalma. Ez arra ösztönözte a teoretikusokat, hogy a kvantumanyag új fázisaiból, például időkristályokból álló menazsériát idézzenek elő – olyan rendszereket, amelyek a végtelenségig fenntartják az ismétlődő viselkedést anélkül, hogy elnyelnék az energiát. Azok a kvantummérnökök, akik a kvantumszámítógépek felépítése érdekében küzdenek a kubitok nyavalyájával, megnyugodtak ezen a jelen, hogy harcuk nyerhető.

„A kvantumszámítógépben rendelkeznie kell a kezdeti feltételek memóriájával; különben nem tehetsz semmit – mondta Yao.

A bizonyítékok felhalmozódása 2014-ben tetőzött, amikor szigorú matematikai bizonyítást nyert, hogy a kvantumminták valóban örökké tarthatnak.

Az elmúlt években azonban az örökké stabil kvantumstruktúrák ígérete maga is inogni kezdett. Az ilyen minták valóban eonokig fennmaradhatnak, amint azt az áttörést jelentő kísérletek megállapították. De vita folyik arról, hogy vajon ezek az eonok valóban az örökkévalóságig tarthatnak-e, ahogy azt sok fizikus hitte. A kvantumsors alapvető természetének boncolgatása során az érintett fizikusok eddig ismeretlen kvantumjelenségeket fedeztek fel, amelyek nagy részecskehordák stabilitását veszélyeztetik.

„Azt hitted, hogy nagyon jól érted [ezt az ötletet], de most már nem” – mondta Vedika Khemani, a Stanford Egyetem fizikusa. "Ez vicces. Ismét meg kell oldani egy rejtélyt.”

Az örökkévalóság íze

A kvantumörökkévalóság korai sejtése Phil Anderson, a fizikus, aki a maga területén legendává válik. Az 1950-es években Anderson a Bell Labs-ban tanulmányozta az akkori életszakasz fizikáját – az elektronok viselkedését a félvezetőkben. Miközben megpróbált megérteni néhány rejtélyes kísérleti eredményt, azon kapta magát, hogy egy elvontabb problémán gondolkodik.

Vajon lehetséges volt egyetlen kvantumrészecskét a helyén csapdába ejteni, tűnődött Anderson?

Könnyű csapdába ejteni egy klasszikus tárgyat, például egy biliárdlabdát. Csak kerítse körül sorompóval, mint egy biliárdasztal sínje. Ám a kvantumrészecskék az akadályok teljes figyelmen kívül hagyásával utazhatnak, ha áthaladnak rajtuk. A bökkenő az, hogy nem tudnak messzire utazni. Minél messzebbre próbál menni egy részecske, annál keményebbé válik az alagút - vagyis exponenciálisan valószínűtlen -. Anderson azon töprengett, vajon milyen környezetben lehet egy kvantummenekülő művész.

A titkot abban találta, hogy a részecskét egy csúcsokkal és völgyekkel tarkított „rendezetlen” kvantumtájba ragasztják. Minden helynek van egy véletlenszerű magassága, amely egy véletlenszerű energiát képvisel. Valódi anyagban ez a rendellenesség szennyeződésekből származhat, például hiányzó atomokból vagy különböző elemek atomjaiból.

Anderson arra a következtetésre jutott, hogy elegendő rendetlenség esetén egy részecske soha nem jutna messzire. Az alagúthoz a részecskének olyan helyet kell találnia, amelynek energiája hasonló (vagy hasonló magasságban van), mint ahol kiindul. A nagyobb rendezetlenség pedig ritkítja az ilyen helyeket. Ha jobban belenézünk a tájba, egy részecske képes lehet egy tisztességes klip segítségével felderíteni a jelölt helyeket. Ez a sebesség meglehetősen gyors lehet „magasabb” dimenziókban, például 2D-s síkokban és 3D-s téglákban, ahol a részecskének több lehetősége van. De ezeknek a helyeknek a elérésének exponenciális nehézségei mindig még gyorsabban növekednek, és valószínűtlenné teszi az alagútépítést.

Az alagútépítés nem volt elég – érvelt Anderson 1958 papír. Bármilyen dimenziójú rendezetlen táj „lokalizálna” egy részecskét. A mű lényegében évekig olvasatlan maradt, bár végül hozzájárult ahhoz, hogy részesedést szerezzen a könyvből 1977-as fizikai Nobel-díj.

Míg Anderson töprengését egy félvezetőben lévő elektronok inspirálták, a keretezéséből kiderül, hogy elvontabban gondolkodott. Az anomália, amely motiválta, az elektronok rejtélyes ellenállása volt a termizációnak nevezett folyamattal szemben. Arra törekedett, hogy mélyebben megértse, mikor termikusodik egy rendszer vagy nem. Nem ő volt az első fizikus, aki ezt a jelenséget tanulmányozta, de a munkája során felvetett kérdések egy későbbi fizikusnemzedék képzeletét is megragadják.

„50 évvel megelőzte korát” – mondta David Huse, a Princetoni Egyetem fizikusa.

A hétköznapi nyelven a termizáció a rendszerek összekeveredésének természetes tendenciája. Az új kártyapakli gyorsan elveszíti eredeti sorrendjét. Egy homokvár nedves homokdarabként kanyarodik fel. A termodinamikában ez a tendencia a statisztika egyenes következménye. Csak néhány módja van a rendelésnek, és rendkívül sokféle módon keverhető össze, így egy kezdetben megrendelt rendszer nagy valószínűséggel keveredik.

A hőkezelés legfontosabb jellemzője, hogy a keverés során minden kezdeti mintázat eltűnik. Például bármely kezdeti forró pont vagy energiakoncentráció addig terjed, amíg a további terjedés nem lehetséges. Ezen a ponton a rendszer stabillá válik, és észrevehetően leáll a változásban – ezt a forgatókönyvet a fizikusok termikus egyensúlynak nevezik.

Visszatekintve a fizikusok úgy látják, hogy Anderson munkája magában foglalta a termizálás elleni lázadás magvait. Megmutatta, hogy egy rendezetlen táj csapdába ejt egy részecskét. A kulcskérdés az volt: lokalizálhat-e sok részecskét? Ha a részecskék a helyükön ragadnának, az energia nem terjedne, és a rendszer soha nem termikusodik. A termizálás ellentéteként a lokalizáció egy teljesen új típusú stabilitást jelentene, egy váratlan módot arra, hogy az energia kvantummintái örökké fennmaradjanak.

"Tudva, hogy a termizálás ez az univerzális dolog, ami egy zárt rendszerben megtörténik, vagy teljesen lebomolhat" Maissam Barkeshli, a Marylandi Egyetem fizikusa, „a fizika egyik legalapvetőbb kérdése”.

A kérdés megválaszolásához azonban meg kell oldani egy olyan problémát, amely miatt Anderson Nobel-díjas munkája bemelegítésnek tűnt. Az alapkérdés az, hogy a részecskecsoportok kolosszálisan összetett módon befolyásolhatják egymást. Ezeknek a kölcsönhatásoknak a számbavétele olyan bonyolultnak bizonyult, hogy Anderson 50-as írása és az első komoly kísérletek között, amelyek a fizikusok soktestes lokalizációnak nevezik a lokalizáció megértését a sokrészecskés rendszerekben.

A fél évszázaddal később felmerülő hihetetlen válasz az volt, hogy a hőkezelés nem mindig elkerülhetetlen. A termizációval dacolva lehetségesnek tűnt a soktestes lokalizáció.

"Ez megszegi a termodinamika törvényeit" - mondta Wojciech De Roeck, a belgiumi KU Leuven fizikusa. "Ez azt jelenti, hogy a káosz nem mindig győz."

A soktestű lokalizáció felemelkedése

Anderson művének kasszasiker folytatása 2005-ben jelent meg, amikor Denis Basko, Igor Aleiner és a Boris Altshuler, a Princetoni és a Columbia egyetemeken dolgozó fizikusok egy mérföldkőnek számító tanulmányt tettek közzé, amely azonnal felismeri kezdőbetűiket a terület kutatói számára. Ebben a BAA azt vizsgálta, hogy a fémben lévő atomi szennyeződések képesek-e lokalizálni az elektronokat, csapdába ejtve azokat az atomok közelében, és a vezető anyagot szigetelővé alakítva.

In 88 oldalak A 173 számozott egyenletből és 24 ábrából (a függelékek nélkül) álló sűrű matematika során a BAA kimutatta, hogy egy rendetlen anyag valóban meg tudja állítani az elektroncsoportokat a nyomukban, ugyanúgy, ahogy Anderson kimutatta, hogy meg tud állítani egy részecskét. Munkájuk hatékonyan elindította a soktestű lokalizáció, vagyis az MBL vizsgálatát.

„Ez valóban egy tour de force volt” – mondta Khemani. „Megmutatták, hogy az MBL minden dimenzióban stabil.” A mű is áthatolhatatlan volt. A kutatók elhitte, de nem értették eléggé ahhoz, hogy építsenek rá. „Rájuk kívül senki sem tudta elvégezni a BAA-számítást” – mondta Jed Pixley, a Rutgers Egyetem kondenzált anyag fizikusa.

A BAA felfedezése azonban hullámokat sugárzott a princetoni egyetemen. Basko elmondta barátjának, Vadim Oganesyannak, aki megbeszélte tanácsadójával, David Huse-val. Ők ketten már futtattak számítógépes szimulációkat, amelyek lehetővé tették számukra a BAA ötleteinek közvetlenebb tesztelését a termizálás elvontabb kontextusában.

Szimulációik során Huse és Oganesyan kvantumrészecskékből álló láncokat állítottak fel, amelyek felfelé vagy lefelé mutathatnak, és megfordíthatják szomszédaikat. Amikor a lokalizációs recept szerint egyre több rendetlenséget adnak hozzá, azt látták, hogy a részecskék láncai átváltanak a termikus forgatókönyvről (ahol mondjuk egy gyorsan átbillenő részecske szétteríti az energiáját, és elkezdi átfordítani szomszédait) egy közeli állapotba. lokalizált forgatókönyv (ahol a részecske megtartja az energiáját). A termizációból a lokalizációba való átmenet a rendezetlenség bizonyos szintjén inkább úgy nézett ki, mint az anyag fázisai közötti átmenet, például a folyadék és a jég között, amelyek bizonyos hőmérsékleten mennek végbe.

Az MBL egyfajta szakasznak minősülhet? A fázisok különleges státusszal rendelkeznek a fizikában. Külön definíciójuk is van. Lényeges, hogy az anyag fázisának végtelenül hosszú ideig stabilnak kell lennie, és egy végtelenül nagy rendszerhez. Ha valóban megtörténik az átmenet a termizáció és a lokalizáció között, és ha a lokalizáció végtelen ideig végbemenne, akkor a stabilitás két típusa talán önálló fázisként fogható fel.

Oganesyan és Huse nem tudtak végtelenül hosszú ideig szimulálni a végtelenül hosszú láncokat (kb. egy tucat részecskét tudtak csinálni), így nem lepődtek meg azon, hogy a lokalizáció tökéletlen jeleit látták. De ahogy meghosszabbították a láncukat, úgy élesebbé vált az átmenet a lokalizáció felé. Első munkájuk, közzétéve: 2006, ugratott azzal az érdekes lehetőséggel, hogy a végtelenül hosszú, kellően rendezetlen láncoknál előfordulhat egy lokalizációs fázis.

Talán még ennél is fontosabb, hogy szimulációik könnyen érthetőek voltak. „David úgy végezte a számítást, hogy bárki meg tudja csinálni” – mondta Pixley.

A későbbi numerikus vizsgálatok alátámasztották azt az elképzelést, hogy egy zord táj képes lokalizálni az energiát, és a fizikusok elkezdték mérlegelni a következményeket. Az energiaáradat, gyakran hő formájában, kiirtja a kvantumanyag kényes fázisait. De ha a kellően csipkézett csúcsok megállítanák az energia terjedését, akkor a kvantumstruktúrák bármilyen hőmérsékleten hatékonyan fennmaradhatnak. „Olyan jelenségeket érhet el, amelyeket valóban társítunk, és csak nulla hőmérsékleten értünk meg” – mondta Anushya Chandran, a Bostoni Egyetem fizikusa, aki Princeton végzős hallgatóként MBL-t tanult.

Az MBL-ből kinőtt egyik nagy horderejű kvantumstruktúra egy időbeli minta volt. Fordítsa meg a részecskelánc egyik végét egy bizonyos sebességgel, és az egész lánc két konfiguráció között válthat anélkül, hogy elnyelné az átfordításból származó energiát. Ezek "időkristályok” az anyag egy egzotikus egyensúlyon kívüli fázisa volt, ami csak azért volt lehetséges, mert a kellően rendezetlen táj megakadályozta, hogy a részecskék minden elképzelhető elrendezése elérje a termikus egyensúlyt.

„Egyszerűen nincs analógja” – mondta Khemani, aki ebben az időben Princetonon keresztül érkezett, és a továbbiakban úttörő szerepet fog játszani az időkristályok megértésében és létrehozásában. "Ez egy teljes paradigmaváltás."

Az elméleti rejtvény utolsó darabja 2014-ben került a helyére, amikor John Imbrie, a Virginiai Egyetem matematikus fizikusa kimutatta, hogy ha egy végtelenül hosszú részecskeláncot össze tudnánk fűzni kellő rendezetlenséggel, minden konfiguráció lokalizált marad. Annak ellenére, hogy a részecskék képesek kölcsönhatásba lépni szomszédaikkal, egyénileg örökké folytatnák a saját dolgukat.

A szigorú matematikai bizonyíték, amelyhez hasonlók ritkák a fizikában, öt év erőfeszítés eredménye. Mindez garantálta, hogy lehetséges a lokalizáció, megszilárdítva a fázis státuszát. „Amikor matematikai érvelést folytat, minden lehetőséget mérlegelnie kell” – mondta Imbrie. – Ez a szépség része.

Ugyanebben az időben a hideg atomok manipulálására szakosodott laboratóriumokkal rendelkező fizikusok megerősítették, hogy a valódi részecskék nagyjából ugyanúgy viselkednek, mint a digitális részecskék. A fényhegyekkel elválasztott, szerény számú atom glaciális ütemben terjedt el, mindkét esetben 1D vonalakba rendezve és mikor 2D rácsokba rendezve.

A kísérleti, matematikai és numerikus bizonyítékok túlnyomó többségével az MBL úgy tűnt, hogy belép a fázisátalakulások panteonjába a mágnesesség és a szupravezetés mellett. A fizikusok arra számítottak, hogy a különböző dimenziókban lévő rendszerek széles skálája kirívóan figyelmen kívül hagyhatja feltételezett termodinamikai sorsukat.

2022-ben az Amerikai Fizikai Társaság Altshulert, Huse-t és Aleinert tüntette ki a rangos díjjal. Lars Onsager-díj, amelyet arról a matematikus fizikusról neveztek el, aki bebizonyította, hogy a rajzfilm modell felfogta a fázisátalakulást, amikor egy anyag mágnesezetté vált.

De még a díjak kiosztása előtt kezdett szétesni a végtelenül tartós szerkezetek ötlete.

Az ingadozás kezdete

Az első remegés körülbelül másfél évvel Imbrie bizonyítása után jött.

Emlékezzünk vissza, hogy a termizációból a lokalizációba való átmenetről úgy gondolják, hogy úgy megy le, mint az anyag ismerős fázisai között. Amikor például a fém mágnesez, bizonyos tulajdonságok meghatározott sebességgel változnak, amelyet aprólékosan kiszámított egyenletek írnak le. Ezekben az egyenletekben bizonyos értékeknek van bizonyos kitevője, például a 2 hüvelyk x².

Az egyik dimenzióban való valódi fázisátmenethez a matematikusok bebizonyították, hogy ezek közül a kitevők közül kettőnek nagyobbnak kell lennie 2-nél. Az MBL-szimulációk azonban 1-nek találták őket, ami jelentős nézeteltérés. Az a még kiadatlan előnyomat 2015-ben Oganesyan és Chandran Christopher Laumann-nal, a Bostoni Egyetem munkatársával együtt kimutatták, hogy az eltérés nem csupán a rövid láncok tanulmányozásának triviális mellékhatása, nem pedig a végtelen láncok. Valami alapvetőbbnek tűnt.

– Gondosan megvizsgálták – mondta Huse. – De nem tudtuk kideríteni, mi a baj.

A következő néhány évben nagyobb megrázkódtatások sora következett. Képzeljen el egy hegyvidéki tájat, amely az MBL-hez vezetne. Most terjessze ki ezt a tájat a végtelenségig minden irányba. Ha véletlenszerűen eleget fedezel fel belőle, egy ponton biztosan belefutsz egy kiterjesztett lapos foltba.

A lapos zónában lévő részecskék könnyen megtalálják az alagúthoz hasonló energiájú állapotokat, így összekeverednek és felmelegednek. Egy ilyen régióban energiaállapotok bővelkednek, növelve annak esélyét, hogy a szomszédos hegyekben lévő részecskék érintkezésbe léphetnek, és maguk is termikussá válhatnak – érvelt De Roeck, a KU Leuven. François Huveneers, aki akkor a Paris-Dauphine Egyetemen volt Franciaországban. Így a lapos zóna termikus energiaforrásként szolgálhat.

De egy ilyen apró folt le tudja szedni az egész rendszert? A forgatókönyv intuitív módon nagyjából olyan valószínűnek tűnt, mint egy denveri pezsgőfürdő, amely összeomlásokat okoz Vailban, Breckenridge-ben és Telluride-ban. A fizikusok nem fogadták el azonnal. Amikor De Roeck és Huveneers konferenciákon felvetette a lehetőséget, beszélgetéseik dühös kitöréseket váltottak ki a hallgatóságból.

„Nagy meglepetés volt” – mondta De Roeck. – Kezdetben sokan nem hittek nekünk.

ben kezdődő dolgozatsorozatban 2016, De Roeck, a Huveneers és munkatársai kifejtették álláspontjukat a ma lavinaként ismert folyamat mellett. Azzal érveltek, hogy a pezsgőfürdővel ellentétben, ami egy csepp termikus részecskéknek indul, az óceánba tud hógolyózni.

– Van egy hőfürdő, és a szomszédos telephelyeket toborozza a hőfürdőbe – mondta Imbrie. „Egyre erősebb lesz, és egyre több oldalt von be. Ez a lavina.”

A döntő kérdés az volt, hogy egy lavina lendületet vesz-e vagy elveszíti. A hőfürdő minden egyes lépéssel nagyobb és jobb energiatárolóvá válna. De minden lépés megnehezítette a következő helyszín termizálását. Az Anderson-féle egyrészecskés lokalizációra emlékeztető vita két hatás közötti versenyfutásra fajult: a fürdő javulása és a további növekedés nehézségei.

De Roeck és Huveneers azzal érveltek, hogy a lavinák két- és háromdimenzióban is győzni fognak, mert hihetetlenül gyorsan halmozzák fel az energiaállapotokat – a gyorsan növekvő területükhöz (2D-ben) vagy térfogatukhoz (3D-ben) kapcsolódó ütemben. A fizikusok többsége elfogadta, hogy ezeken a tájakon a lavinák megállíthatatlanok, így az MBL-t lapokban vagy téglákban távoli kilátásba helyezték.

De az MBL lehetősége az egydimenziós láncokban fennmaradt, mert egy vonalon végigsöprő lavina lassabban halmoz fel energiaállapotokat. Valójában a hőfürdő körülbelül ugyanolyan ütemben növekszik erősebbé, mint ahogy a növekedés nehézsége is. Döntetlen volt. A lavinák folytatódhatnak 1D-ben, vagy megállhatnak.

Más fizikusok eközben szkeptikusak lettek afelől, hogy az MBL létezhet akár 1D láncban is. 2019-ben szlovén káoszszakértőkből álló csapat, köztük Tomaž Prosen újraelemezte a régi számszerű adatokat, és rávilágított arra a tényre, hogy a táj egyre hegyesebbé válásával a termikusodás rendkívül lelassult de soha nem állt meg teljesen – egy kényelmetlen igazság, amelyet az MBL kutatói kisméretű szimulációik műtermékének tekintettek. Anatolij Polkovnyikov a Bostoni Egyetem és Száraz Sels, most a New York Egyetem és a Flatiron Institute, többek között más kutatók is eljutottak hasonló következtetések. Érveik egyenesen megkérdőjelezték az MBL központi vonzerejét: az örök élet ígéretét egy kvantumhomokvár számára.

„Az MBL-ről beszélő teoretikusok szintjén – mondta Chandran –, létezik egy tisztességes Isten rezsim, ahol [a termizációs idő] nem csak az univerzum kora, és mi nem látjuk. Nem, ez valóban végtelen.”

Erőteljes vita következett, mind a tudományos irodalomban, mind a magánbeszélgetésekben. Sels és Huse órákat töltött a Zoomon a járvány mélyén. Időnként elbeszélgettek egymás mellett, de mindegyik produktív meglátásokat tulajdonít a másiknak. A vita csínja-bínja rendkívül technikai jellegű, és még az érintett kutatók sem tudják maradéktalanul megfogalmazni az összes szempontot. De végső soron a különbségek abból fakadnak, hogy az egyes táborok különböző képzettségűek – rendkívül műveltek – sejtik, mit látnál, ha végignézhetnéd, ahogy egy részecskék lánca örökké átfordul.

A két fél továbbra sem ért egyet abban, hogy létezik-e valódi MBL-fázis az egyik dimenzióban, de az összecsapás egyik konkrét eredménye az, hogy a kutatókat arra késztette, hogy megvizsgálják, milyen hatást gyakorolhatnak a lavinák az MBL feltételezett megjelenésére.

A szkeptikus csoportoknak „volt néhány nagyon jó pontja, de egy kicsit túl messzire vitték őket” – mondta Huse. – Valóban motivált minket.

Huse MBL-veteránokkal, köztük Khemanival együttműködve kidolgozott egy módszert egy lavina rövid láncokra gyakorolt ​​hatásának szimulálására anélkül, hogy ténylegesen elindítaná azt. (Senki sem látott lavinát, még számszerűen sem, mert egy elég nagy lapos folt eléréséhez több milliárd részecske hosszúságú láncra lehet szükség, Sels becslése szerint a kutatók általában körülbelül 12 hosszúságú láncot tanulmányoznak.) Sels ezt követően kidolgozta saját lavina-álomát. fel.

A két csoport odajött hasonló következtetések 2021-ben: Az MBL-átmenet, ha létezett, sokkal hegyesebb tájra volt szükség, mint azt a kutatók hitték. A korábban MBL-t előidéző ​​strapabírósági szint mellett a termizáció lelassul, de nem áll meg. Ahhoz, hogy a kvantumhóemberek esélyt kapjanak a lavinák elleni küzdelemre, a tájnak rendezetlenebbnek kell lennie, mint azt Huse és társasága feltételezte. Huse csoportja kezdetben úgy találta, hogy a hegyeknek legalább kétszer olyan masszívnak kell lenniük. Sels munkája ezt a számot legalább hatszorosára növelte, így a hegyek jobban hasonlítanak a Himalájához, mint a Sziklás-hegységhez. Az MBL még mindig előfordulhat ilyen szélsőséges körülmények között, de a kevésbé robusztus átmenet köré épített elméletnek valóban voltak problémái.

„Valahogy túl alaposan elfogadtuk, és nem vettük figyelembe a finomságait” – mondta Huse.

A 2021-es munkák során a kutatók átírták és kibővítették az 1D láncok MBL fázisdiagramját. A Kansas-szerű síkvidékeken a részecskék gyorsan felmelegednek. A Sziklás-hegységben a kutatók átminősítették az MBL „fázisát” „termikus előtti rezsimre”. Ez a látszólag stabil rezsim, amelyet a BAA, a Princeton-szimulációk és az atomkísérletek fedeztek fel. De most a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy ha valaki rendkívül hosszú ideig vár – szó szerint több milliárd évet egyes elrendezésekre –, a Sziklás-hegység által elválasztott részecskék valójában összekeverednek és felmelegednek.

A Sziklás-hegységen túl fekszik a Himalája. Hogy mi történik ott, az továbbra is nyitott kérdés. Sels és Prosen meg vannak győződve arról, hogy az energia terjedni fog, és végül megtörténik a termikusodás, még ha eonokig is tart. Huse és a cég továbbra is hisz abban, hogy az igazi MBL beáll.

Az MBL-be vetett hitük legfőbb oka a 2014-es bizonyíték. A valódi MBL létezését alátámasztó bizonyítékok egykor számos pillére közül Imbrie bizonyítéka az utolsó. És miután karrierje során személyre szabott matematikai eszközöket fejlesztett ki az ilyen típusú problémákra, kitart mellette.

„Nem ismeretlen a matematikában, hogy hiba van a bizonyításban – mondta –, de azt hiszem, tudom, mit csinálok.

A bizonyíték azonban megosztja a fizikusokat, mert a fizikusok nem értik. Nem a próbálkozás hiánya miatt. Laumann egyszer rávette Imbrie-t, hogy tanítsa meg neki és egy maroknyi kutatónak a bizonyítást egy hét alatt Olaszországban, de nem tudták részletesen követni a lépéseket. Ez azonban nem teljesen meglepő, mivel a fizikusok általában gyorsabban és lazábban használják a matematikát, mint a matematikusok. Imbrie érvelése nem függ a táj masszívságának semmilyen konkrét szintjétől, így az MBL fázisdiagram legutóbbi módosításai semmiképpen sem ássák alá azt. Annak megállapításához, hogy valóban létezik-e az MBL, a kutatóknak le kell húzódniuk, és vagy hibát kell találniuk a bizonyítékban, vagy ellenőrizniük kell minden sort.

Ilyen erőfeszítések folynak. Sels és munkatársai azt mondják, hogy véglegesítenek egy vitát, amely ellentmond Imbrie-ének. Eközben De Roeck és Huveneers, a matematikusok, akik felfedezték a lavinaveszélyt, két éve azon fáradoznak, hogy átírják Imbrie bizonyítását egy könnyebben hozzáférhető formában. De Roeck azt mondja, hogy az összes fontosabb elemet a helyére rakták, és eddig a logika szilárdnak tűnik.

„Az MBL, azt hiszem, létezik” – mondta De Roeck. De „itt matematikát csinálunk, így minden kis probléma kisiklathatja az egészet.”

A kvantum angyalokon túl

Az általunk lakott univerzumban, amely valami felfoghatatlan számú éven belül felmelegszik, az állandóság mindig valami illúzió. Manhattan saját súlya alatt süllyed 1.6 centiméter évtizedenként. A kontinensek nagyjából 250 millió év múlva egyesülnek. És amíg van egy mítosz hogy a középkori ólomüveg ablakok alja enyhén megvastagodott az évszázadok során, a fizikusok úgy vélik, hogy az üveg valamilyen ismeretlen időtávon, valószínűleg sok milliárd éven vagy még tovább folyik.

Ha az MBL instabilnak bizonyul, a sok testből álló lokalizált rendszer legalább olyan tartós lesz, mint a fenti példák bármelyike. Így lesznek azok a kvantumjelenségek is, amelyek az MBL állapotaitól függenek. Az időkristályok például elveszíthetik a tankönyvekben szereplő „anyagfázisok” megjelöléseket, de még mindig képesek lennének ketyegni sokkal-sokkal tovább, mint az őket szimuláló kvantumszámítógépek (vagy a számítógépeket üzemeltető emberek, az számít). Sok akadémikus mélyen törődik a termizáció legyőzésének matematikai lehetőségével, mint gyönyörű, akadémikus kérdéssel. De manapság a legtöbben nem sokat alszanak emiatt.

„Talán mindig angyalok táncoltak a gombostű fején” – mondta Chandran.

Ehelyett Chandran és mások annak a lehetőségnek örültek, hogy felfedezhetnek egy új termikusodást okozó jelenséget, amelyet a fizikusok kis rendszerekben is megfigyelhetnek.

Még 2018-ban ő és munkatársa, Philip Crowley arra törekedtek, hogy megértsék, miért tűntek úgy, hogy a kis láncok lassan felmelegednek, holott túl kicsik ahhoz, hogy lapos foltok képződjenek. A páros megállapította, hogy a részecskecsoportoknak időnként szerencséjük volt, és egy szomszédos csoporttól kölcsönöztek energiát pontosan annyiban, amennyire szükségük volt ahhoz, hogy új konfigurációra váltsanak. Ezeket az egybeeséseket „rezonanciáknak” nevezték el, és megfigyelték, hogyan terjednek csoportról csoportra, ami elhúzódó termizációhoz vezetett a lavinákhoz túl kicsi rendszerekben. 2020-ban kimutatták, hogy a rezonanciák magyarázhatják a 2015-ös kitevő eltérését és sok halas vonás amelyek numerikus kísérletekben mutatkoztak meg, olyan betekintések, amelyek segítettek Huse-nak és vállalatának frissíteni a rövid láncok fázisdiagramját 2021-ben.

Ma a fizikusok úgy vélik, hogy a rezonanciák destabilizálják a Sziklás-hegység-szintű rendellenességek szerény láncait, míg a lavinák destabilizálják a hosszabb láncokat magasabb rendetlenség esetén.

Miközben Chandran és mások fejlesztik szimulációikat és kísérleteiket, és hosszabb, masszívabb láncokat fedeznek fel, azon tűnődnek, vajon mi rejtőzhet még a Himalájában és azon túl.

"Úgy tűnik, hogy más fizika folyik ott" - mondta Huse. „Számomra ez lenne a legszebb. Szeretek új dolgokat találni.”

A szerkesztő megjegyzése: Néhány kutató, aki ebben a cikkben szerepel, támogatást kapott a Simons Alapítványtól, amely szintén finanszírozza ezt a szerkesztőileg független magazint. A Simons Foundation finanszírozási döntései nincsenek hatással a fedezetünkre. További részletek elérhetőek itt.