Знаете, что происходит с материей при абсолютном нуле? Спойлер: она отказывается играть по правилам

Группа учёных из ведущих мировых университетов приблизилась к разгадке одной из самых интригующих головоломок квантовой физики. Их работа, опубликованная в Science Advances , раскрывает природу деконфайнментных квантовых критических точек — эффектов, которые не вписываются в традиционные представления о фундаментальных силах мироздания.

Коллектив исследователей возглавил профессор Цзы Ян Мэн и его аспирант Мэнхань Сун из Гонконгского университета. К проекту присоединились специалисты из ведущих научных центров: Китайского университета Гонконга, Йеля, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, а также германских институтов — Рурского университета в Бохуме и Дрезденского технического университета.

Обыденные природные явления никого не удивляют: лёд тает, превращаясь в воду, вода закипает, обращаясь в пар. Здесь бал правят законы термодинамики. Однако при температуре абсолютного нуля (-273,15°C) открывается иная реальность: превращения вещества инициируют не тепловые процессы, а микроскопические колебания частиц — квантовые флуктуации.

Фундаментальная теория Ландау долгое время служила ключом к пониманию квантовых метаморфоз. Согласно этой концепции, микрочастицы способны существовать в двух состояниях: либо формируя упорядоченные структуры (подобно атомам в кристалле), либо пребывая в состоянии хаоса (как молекулы газа). И между этими фазами существует особый рубеж — критическая точка, где происходит удивительная трансформация.

Однако деконфайнментные квантовые точки разрушают привычные представления. Они проявляются не на стыке организованности и беспорядка, а между разными типами упорядоченных конфигураций. Представьте две кристаллические решётки: в каждой микрочастицы выстроены по определённому принципу, но сами законы организации различаются. В деконфайнментной области между ними элементарные частицы освобождаются от привычных взаимодействий и обретают способность существовать независимо друг от друга. Как если бы атомы в твёрдом теле вдруг потеряли жёсткие связи между собой, но при этом не превратились в хаотичный газ, а образовали новую форму организованного вещества.

Звучит слишком абстрактно? Так оно и есть, к счастью или к сожалению. В поисках ответов специалисты обратились к концепции энтропии запутанности. На квантовом уровне микрообъекты формируют уникальные корреляции — любая перемена в характеристиках первого элемента моментально сказывается на втором, даже если их разделяют световые годы. Степень этих таинственных взаимосвязей поддаётся точному измерению, что позволило зафиксировать глубину и масштаб процессов в разных зонах изучаемой системы. Наблюдая отклонения полученных значений от теоретических прогнозов, учёные пришли к выводу о существовании принципиально нового типа квантовых метаморфоз. Вот оно - математическое доказательство: в определённых условиях материя способна пребывать в особом состоянии, сочетающем упорядоченность структуры с поразительной внутренней динамикой.

Для исследования также задействовали алгоритм Монте-Карло — вычислительный метод, позволяющий моделировать сложнейшие закономерности через многократный случайный подбор параметров. С его помощью анализировалась динамика микрочастиц в теоретических квадратных решётках с симметрией SU(N), где индекс N задаёт число возможных квантовых состояний каждого элемента. При низких значениях N запутанность отклонялась от теоретических расчётов по логарифмической зависимости, словно бросая вызов известным физическим законам. Но главное открытие ждало впереди.

Математический анализ выявил пороговую величину N, за пределами которой характер взаимодействий радикально трансформировался. После этого рубежа микрочастицы начинали подчиняться законам конформной симметрии: барьеры между состояниями исчезали, а микромир как раз демонстрировал удивительную пластичность.

Подобные субстанции могут лечь в основу принципиально новых вычислительных систем, превосходящих возможности современных компьютеров. Изучение деконфайнментных феноменов также приближает создание высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Да и вообще можно сказать, что работа открывает для нас новую страницу в понимании квантового мира. Погружаясь в недры микромира все глубже, исследователи не только расширяют горизонты фундаментальной науки, но и формируют базис для инновационных решений — от энергетики до медицины.