На столе стоит стакан с водой. Для каждой молекулы все направления равны — она не различает север и юг. Это симметрия. Но если воду заморозить, молекулы выстроятся в ледяную решётку, и симметрия нарушится: появится выделенное направление.
Квантовый мир умеет нарушать симметрию хитрее. Стакан замёрз, а каждая молекула по-прежнему крутится как попало. Порядок заметен только в парах, тройках или более сложных группах частиц. Такое явление называют сильным-к-слабому спонтанным нарушением симметрии (SWSSB). Его долго искали и наконец научились обнаруживать по особым корреляторам — математическим инструментам, которые показывают, насколько частицы «помнят» друг о друге.
Авторы новой работы задались вопросом: обязательно ли такой частичный порядок приводит к тому, что заряд отдельной частицы становится неопределённым, «размазанным» по всему образцу? Интуиция подсказывает «да», но физики проверили это математически. Связь оказалась не автоматической. Всё зависит от того, как быстро спадают корреляции с расстоянием. Если спадают слишком медленно, заряд может оставаться почти сосредоточенным, хотя порядок в системе есть.
Они построили конкретные примеры, где одно есть без другого. Первый пример — «дефазированный сверхтекучий»: SWSSB в нём присутствует, но разброс заряда не растёт с размером куска — корреляции затухают недостаточно быстро. Второй пример — «разреженные проекторы на фиксированный заряд»: здесь заряд сильно флуктуирует, а SWSSB нет. Два явления — частичный порядок и неопределённость заряда — не близнецы, а скорее дальние родственники, которые не всегда ходят в гости вместе.
Чтобы разобраться в этом зоопарке, учёные придумали новый коррелятор — «перекрученное перекрытие». Он действует как фильтр, разделяющий флуктуации заряда на два канала. Первый канал виден только через слабую симметрию и отвечает за когерентные, «чистые» квантовые дрожания. Второй виден через сильную симметрию и отвечает за хаотическое перемешивание. Оказалось, что первый канал напрямую связан с так называемой косой информацией Вигнера–Янасе — мерой того, насколько квантовое состояние «неклассично».
Такой подход даёт единый язык для описания трёх разных вещей: частичного порядка SWSSB, локальной неопределённости заряда и когерентных зарядовых флуктуаций. Раньше они жили в разных математических комнатах, а теперь их можно изучать в одной общей гостиной.
Косая информация Вигнера–Янасе, которая всплыла в этой работе, изначально была придумана для квантовой теории оценивания — чтобы выяснить, насколько точно можно измерить параметр системы. А теперь она помогает различать типы квантового беспорядка.