Магнитный узел, который не хочет развязываться ✎ экспресс

Оригинал: "Quantum phase transitions in the Kondo-necklace model: Perturbative continuous unitary transformation approach"
arXiv:1112.5783 · 2011-12-25 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
В некоторых материалах электроны запутываются в коллективный танец, и учёные нашли способ увидеть, когда этот танец ломается.

📄 Показана версия «Просто» — «Популярно» пока не готова. Добавьте ★ в избранное, если хотите её ускорить.

Толпа на площади. Сначала каждый кружится в своём ритме, но вдруг музыка меняется — и все начинают двигаться синхронно, как единое целое. Примерно так ведут себя электроны в некоторых металлах: они то прилипают к магнитным примесям, то отрываются и образуют общий порядок.

В физике это описывают моделью Кондо-ожерелья: электроны проводимости (бусинки) взаимодействуют с локализованными магнитными моментами (узелками). Учёные смотрели на квантовый фазовый переход между двумя состояниями — когда электроны крепко связаны с примесями (фаза Кондо-синглета) и когда магнитные моменты выстраиваются в антиферромагнитный порядок. С помощью метода «пертурбативных непрерывных унитарных преобразований» они вычислили энергетическую щель — минимальную энергию, нужную, чтобы возбудить систему. В критической точке эта щель исчезает, как зазор между рельсами, когда поезд переходит на другой путь.

Энергетическая щель в критической точке схлопывается — и система меняет своё коллективное поведение без плавного перехода.

Дальше — интереснее. Исследователи измерили запутанность между частицами с помощью величины под названием конкарренс. В одномерной цепочке её производная резко меняется в точке перехода, словно стрелка спидометра дёргается при переключении передачи. Но в двух и трёх измерениях никаких скачков нет. Это говорит о том, что запутанность здесь не парная, а многочастичная: в общий узел завязаны сразу много спинов, а не только два соседа. Чтобы понять, как из одномерной системы получается двумерная, физики рассмотрели лестничную структуру — промежуточный вариант, где цепочки сшиты перекладинами.

Отсутствие скачков в конкарренсе для 2D и 3D — признак того, что квантовая информация распределена по всей системе, а не заперта в парах.

Такой подход, хоть и основан на приближениях, хорошо совпадает с результатами более сложных численных расчётов. Значит, метод можно использовать для предсказания свойств реальных материалов с тяжёлыми фермионами, где электроны ведут себя так, будто их масса в сотни раз больше обычной. В будущем это поможет создавать новые сплавы с необычными магнитными и электрическими свойствами.

Конкарренс, которым измеряли запутанность, придумали для оценки качества квантовых компьютеров — чем он выше, тем лучше кубиты связаны друг с другом.

В романе «Аччелерандо» Чарльза Стросса квантовая запутанность становится основой для мгновенной связи и коллективного разума — примерно так же многочастичная запутанность связывает спины в модели Кондо-ожерелья.

\Delta E \propto |g - g_c|^{z\nu}
Энергетическая щель ΔE уменьшается до нуля при приближении параметра g к критическому значению g_c по степенному закону с критическими показателями z и ν.
Учёные
Klaus von KlitzingLev LandauWilliam WoottersPaul DiracEmilio Gino SegrèPeter Higgs
Понятия
неадиабатический переход квантовая модель Изинга эффект Кондо квантовый фазовый переход энергетический барьер золотое правило Ферми решётка кагоме решеточная КХД уравнение Шрёдингера фантомный разрыв гибридный подход несингулярная космология уравнение Линдблада квантово-классический переход