Physiker der University at Buffalo und von Harvard haben eine mathematische Verbindung zwischen extrem langsamen Quantenmagneten und ultraschnellen Zuständen in Schwarzen Löchern entdeckt. Die am 17. September im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlichte Studie zeigt, dass quantendynamische Effekte eingefrorene Spingläser auflösen und in stark verschränkte Dynamiken überführen können.
Mathematische Brücke zwischen Spingläsern und dem SYK-Modell
Ein Team um Physiker der University at Buffalo hat eine mathematische Lösung gefunden, die zeigt, wie ein frustrierter Quantenmagnet von einem extrem langsamen Verhalten zu einer ultraschnellen, stark verschränkten Dynamik übergehen kann. Diese Dynamik ähnelt den Prozessen in Schwarzen Löchern. Die im Physical Review Letters erschienene Arbeit verbindet Spingläser – ungeordnete magnetische Zustände, in denen atomare Magnete effektiv eingefroren sind – mit den superschnellen Systemen des sogenannten Sachdev-Ye-Kitaev-Modells (SYK-Modell).
Das SYK-Modell wird von Forschern herangezogen, um die Physik Schwarzer Löcher, Quantenchaos und andere exotische Phänomene zu untersuchen. An der Entwicklung der neuen mathematischen Grundlagen wirkte auch Subir Sachdev mit, der das SYK-Modell einst gemeinsam mit Jinwu Ye vorgeschlagen hatte. Erstautor der aktuellen Untersuchung ist Hossein Hosseinabadi, der als Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Deutschland tätig ist, nachdem er zuvor in der Arbeitsgruppe an der Universität in Buffalo geforscht hatte.
Jamir Marino von der Universität in Buffalo erklärte via University at Buffalo, man habe im Wesentlichen die Mathematik gefunden, die beschreibe, wie Materie von den langsamsten Zuständen in der Quantendynamik zu den schnellsten übergehen kann.
Wenn Quantenfluktuationen ein Spinglas zum Schmelzen bringen
In einem Spinglas reagieren ungeordnete magnetische Spins nur sehr träge auf Störungen. Dadurch bleibt die Information dort über lange Zeiträume hinweg gefangen, was diese Materiezustände für Datenspeichertechnologien und Künstliche Intelligenz interessant macht. Das SYK-Verhalten bildet dazu das genaue Gegenteil: Die Teilchen sind so stark miteinander verschränkt, dass sich Informationen rasant ausbreiten beziehungsweise im System verteilen. Dies geschieht auf eine Art und Weise, die dem Verhalten von Informationen in einem Schwarzen Loch gleicht.
Um das Verhalten von Spingläsern bei extrem niedrigen Temperaturen zu beschreiben, nutzten die Wissenschaftler spezielle Techniken der Quantenfeldtheorie. Entgegen der herkömmlichen Annahme, dass tiefere Temperaturen Materialien noch weiter erstarren lassen, zeigten die Berechnungen einen überraschenden Effekt. Verstärkte Quantenfluktuationen stören die blockierte Anordnung der Spins und bringen das System in einen Zustand extremer Verschränkung.
Jamir Marino von der Universität in Buffalo fügte via University at Buffalo hinzu, normalerweise nehme man an, dass das Senken der Temperatur etwas noch stärker gefriere, doch hier könnten die Quanteneffekte das Spinglas im Wesentlichen schmelzen und von einer extrem langsamen zu einer extrem schnellen Dynamik führen.
Perspektiven für die Kontrolle von Quantentechnologien
Die Ergebnisse der Forschergruppe gehen über reine Theorie hinaus. Das Verständnis dieses Übergangs und der dazwischenliegenden Zustände könnte dabei helfen, die Speicherung und Ausbreitung von Information in künftigen Quantentechnologien gezielter zu steuern. Durch die genaue mathematische Beschreibung wissen Physiker nun besser, wie sich Fluktuationen in Materialien nutzen lassen, um von ultraträgem Datenverhalten zu ultraschnellen Dynamiken zu gelangen.
Verwandte Artikel
