Ничто не вечно.
Ну, обычно это так. Статуи крошатся, краска выцветает, крепости обращаются в прах. Таков уклад человеческих вещей. Однако квантовая механика не следует обычным правилам.
Физики почти семьдесят лет охотятся за призраком. Состояние атомов, упорядоченное настолько идеально, что оно будто бы застывает во времени. Подобно свету, запертому в бесконечном зале зеркал. Если такое явление существует, это не просто эффектный фокус для вечеринок. Оно открыло бы путь к совершенно новым фазам материи. Возможно, даже к более совершенным квантовым компьютерам.
«Это открыло бы целую новую фазу материи», — говорит Войцех де Рок, математический физик из KU Leuven (Лёвенский университет).
Долгое время физика отвечала категорическим «ни за что».
Термодинамика строга. Она утверждает, что всё неизбежно приходит в беспорядок. Вы наливаете молоко в кофе. Оно смешивается. Напиток становится бежевым. Системы термализуются. Детали стираются. Хаос неизбежен. Так почему бы любому квантовому состоянию не выжить вечно?
Филип Андерсон в 1958 году думал иначе. Он рассматривал кристалл с дефектами. Примеси. Атомы, слегка выведенные из строя. Он осознал, что электроны, рикошетящие в этой неурядице, могут рассеиваться настолько идеально, что взаимно уничтожают свои эффекты. Они останавливаются. Остатся замороженными навечно. Застывшее квантовое состояние.
Он получил Нобелевскую премию за эту идею. Но доказать её в реальном, запутанном мире? Вот где начались трудности.
Здесь на сцену выходит многочастичная локализация (MBL).
Эта концепция пленила физиков. В 2006 году три исследователя математически доказали, что неупорядоченные материалы способны улавливать электроны, превращая проводники в изоляторы. Никакого движения. Никакого обмена энергией. Заморозка.
Это обещало создание временных кристаллов. Ультраточных часов.
Но реальность оставалась скептической.
Термальный лавинообразный эффект
Два главных аргумента продолжают разрушать теорию MBL. Масштаб. И время.
Может ли маленький участок оставаться замороженным? Возможно. Может быть. Но термодинамика допускает исключения в малых масштабах. Чтобы иметь значение, эффект заморозки должен сохраняться в крупном материале. Здесь сомнения не унимались.
И время. Если система выдерживает день, переживет ли она месяц?
В 2018 году де Рок и Франсуа Гювенеары обнаружили проблему. Неупорядоченность редко бывает равномерной. В хаотичном материале всегда есть крошечные, аккуратные карманы. Карманы, где частицы остаются свободными. Они действуют как семена. Эти свободные частицы передают энергию в замороженные зоны. Лавина. Термальный коллапс. Он сметает всё на своем пути и разрушает локализацию.
Затем возник аргумент, связанный со временем.
В 2024 году исследователи из Тулузского университета выявили резонансы. Атомы в замороженном состоянии могут все же слегка дрожать. Совсем немного. Если два состояния случайно совпадают по энергии, они резонируют. Они сливаются. Идеальный замок ломается.
Итак. Мечта была мертва?
Эксперименты предполагали обратное.
Проверка вечности
Компьютерные модели ограничены. Они буксуют, обрабатывая около двух десятков частиц. Нельзя симулировать вечность на двадцати атомах. Нам нужно реальное оборудование. Ультрахолодные атомы. Ловушки для ионов. Сверхпроводящие кубиты. Только недавно эти инструменты стали достаточно точными, чтобы искать эффект заморозки.
В 2025 году команда Джунхёка Хура тестировала массивы размером двадцать четыре на двадцать четыре атома.
«Это эксперимент в масштабе времени, превышающем возможности симуляций», — говорит Фабиен Але, хотя он не участвовал в этом эксперименте.
Хур сравнил два типа неупорядоченности. Случайный хаос против квазипериодического порядка.
При случайном беспорядке более крупные системы требовали большей степени хаоса, чтобы остаться замороженными. Знак того, что в больших масштабах это в итоге даст сбой. Но квазислучайный узор держался уверенно. Порог почти не смещался с ростом размера системы.
Амос Чан, соавтор исследования, отмечает, что мы до конца не понимаем, почему случайная версия дает сбой. Лавины? Резонансы? Что-то еще?
Данные указывают лишь на одно. Локализация сохраняется, когда вы контролируете неупорядоченность. Она переживает увеличение масштаба.
Квантовая группа Google опубликовала нечто похожее. Они использовали семьдесят сверхпроводящих кубитов.
При умеренной неупорядоченности система не замерзала полностью. Но и не таяла. Она превращалась в квантовое стекло. Застрявшую. Сопротивляющуюся теплу. Не совсем MBL, но достаточно близкую к тому, чтобы sugerровать сдвиг в физике.
Поиск отпечатка
Нам все еще нужно подтвердить это. Как мы знаем, что перед нами MBL?
Вы не следите за железом десять лет, чтобы проверить, магнитно ли оно. Вы ищете выровненные спины.
Але, ЛаФлоренси и другие ищут эквивалентный отпечаток в мультифрактальности.
Представьте себе свойства каждого атома, нанесенные на многомерную карту. Обычный материал исследует этот ландшафт. Он движется. Меняется.
Система MBL? Она оказывается в ловушке в одном участке. Замороженный остров.
В 2025 году Дэвид Логан и Схитадхи предложили тест. Раскрутите атомы по схеме «верх-низ». Позвольте системе эволюционировать. Посмотрите снова. Если паттерн смывается, это обычная материя. Если части его выживают, упрямо и ярко, возможно, здесь MBL.
«Мультифрактальность напрямую связана с тем, что могут видеть эксперименты», — говорит Дэвид Хьюз из Принстона.
ЛаФлоренци сейчас тестирует это на ультрахолодных атомах. Он считает, что они близки к тому, чтобы увидеть эту фрактальную подпись. Это захватывающая работа.
Но Хьюз остается осторожным.
Теоремы даются с трудом. Большие, насыщенные математикой доказательства, которые положат конец спорам, все еще ждут в запасе. Возможно, годы.
Путь к вечности долог.
