Noi reguli de stabilitate diferențiază fazele cuantice ale materiei pe care metoda anterioară le grupa incorect
Fizicienii de la Institutul Anthony J. Leggett pentru Teoria Materiei Condensate de la Universitatea Illinois Urbana-Champaign au elaborat un cadru pentru clasificarea fazelor cuantice de neechilibru ale materiei, extinzând principiile valabile pentru sistemele închise. Lucrarea, publicată în Physical Review X, depășește limitele schemelor actuale de clasificare și permite distingerea unei game mai largi de fenomene cuantice.
Fazele obișnuite ale materiei sunt clasificate în general prin simetriile lor. Lichidele au un grad ridicat de simetrie, în timp ce solidele cristaline posedă simetrii doar de-a lungul unor axe bine definite. Acest model de clasificare, inițiat de Lev Landau în anii 1930, descrie de la solide, lichide și gaze până la magneți și supraconductori. Din anii 1980, fizicienii au constatat că multe faze nu pot fi explicate doar prin simetrie, ci necesită și topologie, ramură a matematicii care studiază proprietățile globale ale formelor.
Fazele topologice sunt caracterizate prin invarianți topologici, numere speciale care nu se modifică la deformări continue. Ele apar la temperaturi foarte scăzute, când fluctuațiile cuantice produc entanglement cuantic la scară largă. Informația este stocată non-local, iar excitațiile de tip orice nu se încadrează în paradigma boson-fermion. Datorită rezistenței lor, aceste faze ar putea sta la baza unor noi tehnologii de calcul cuantic.
Fazele din sistemele cuantice închise sunt descrise de obicei prin stări pure și prin hamiltonieni cu gap energetic. Profesorul Jong Yeon Lee a declarat că ideea esențială în definirea unei faze este stabilitatea: două stări aparțin aceleiași faze dacă hamiltonienii lor pot fi conectați fără închiderea gap-ului. În realitate, stările pure sunt idealizări, iar interacțiunea cu mediul le transformă în stări mixte, fără hamiltonieni, ceea ce face ca abordarea convențională să nu funcționeze.
O alternativă este bootstrapping-ul entanglementului, care stabilește criterii de stabilitate ce definesc puncte fixe. Cercetătorii au căutat modalități de a elimina corelațiile care reduc stabilitatea și de a incorpora ingredientele topologice necesare. Au formulat trei condiții: M0, care asigură că două regiuni separate nu se influențează semnificativ; P0, care cere ca informația locală pierdută să poată fi recuperată din vecinătate; și M1, care impune condiții tehnice pentru ca stările să fie tratabile. Aceste condiții definesc punctele fixe, iar orice stare care le îndeplinește simultan este stabilă.
Cercetătorii au derivat și cantități topologice care disting punctele fixe. Pentru a defini fazele, au relaxat criteriile de stabilitate: două stări mixte aparțin aceleiași faze dacă se poate construi o graniță intermediară la care deviația de la criterii scade exponențial la coarse-graining. Simulările numerice au confirmat această scădere exponențială.
Comparativ cu metoda principală bazată pe canale locale de adâncime finită, care grupează incorect o stare produs generică și codul toric maxim defazat, bootstrapping-ul pentru stări mixte le categorisește corect în faze distincte. Lee a explicat că metoda lor diagnostichează ce anume nu funcționează: canalul modifică structura topologică subiacentă, încălcând unul dintre criteriile de stabilitate.
Echipa lui Lee caută în continuare mai multe date topologice pentru a completa cadrul. Calcularea exactă a anumitor invarianți topologici nu este întotdeauna posibilă, iar stări cu aceeași valoare a unui invariant pot aparține unor faze diferite. Cercetătorii intenționează să integreze experimental ordinea topologică mixtă în dispozitive reale și să exploreze tranziții de fază, în special lângă puncte critice. Lee a subliniat că actualul cadru nu este încă universal, necuprinzând fazele fractonice, dar vede această limitare ca un indiciu important pentru dezvoltarea unui cadru mai larg.
