Физики нашли способ приблизиться к одному из самых экзотических режимов квантовой материи без попыток создать миниатюрную черную дыру. Исследователи предложили управляемо «встряхивать» сверххолодные атомы, удерживаемые светом, чтобы воспроизвести свойства так называемой модели Сачдева — Йе — Китаева (Sachdev-Ye-Kitaev model, SYK). Она используется для изучения квантового хаоса, быстрого перемешивания информации и процессов, которые теоретически связывают с физикой черных дыр. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. Исследование выполнили Чарльз Крефилд и Фернандо Солс из Мадридского университета Комплутенсе и Марко Широ и Натан Голдман из Коллеж де Франс.
Идея выглядит почти по-домашнему: взять оптическую решетку — систему световых «ячеек», в которых находятся атомы, — и периодически менять условия их перемещения между соседними участками. Такой ритмичный режим подавляет обычное движение отдельных частиц и вместо него создает сложные взаимодействия сразу между множеством атомов.
В результате система начинает напоминать SYK-модель. В ней связи между частицами выглядят почти случайными и становятся настолько плотными, что привычная картина «атом взаимодействует с ближайшим соседом» перестает работать. Информация быстро распределяется по системе, а поведение приобретает признаки сильного квантового хаоса.
«Встряхнуть» физику черных дыр — буквально
Здесь важно не перепутать лабораторный аналог с настоящей черной дырой. Ученые не создали космический объект и не воспроизвели его гравитацию. Они получили экспериментально доступную систему, которая математически демонстрирует некоторые характерные черты SYK-физики.
Расчеты показали, что модель воспроизводит ключевые признаки такого поведения. В частности, исследователи сравнивали спектральные характеристики системы и специальные корреляции, известные как OTOC: они помогают оценивать, насколько быстро информация и квантовые возмущения распространяются по сложной системе.
Главное преимущество метода — его реалистичность. Для эксперимента не требуется строить принципиально новую установку: подход можно реализовать с помощью уже существующих технологий работы с холодными атомами. Это открывает возможность изучать, как информация распространяется в сильно взаимодействующей квантовой материи и что происходит с системами, находящимися бесконечно далеко от равновесия.
Интересно, что идея SYK давно вышла за рамки одной узкой теории. Ее связывают не только с черными дырами и квантовым хаосом, но и с попытками понять необычные свойства некоторых материалов, включая высокотемпературную сверхпроводимость. Ранее исследователи рассматривали для моделирования SYK даже электронные системы в графене, а квантовые компьютеры использовали для изучения моделей, связанных с «голографическим» описанием черных дыр.
Новая работа предлагает еще один путь: не пытаться заглянуть в черную дыру, а собрать ее математически родственного «двойника» из атомов и управляемого света. Космический хаос, таким образом, получил лабораторный адрес.
Hi-Tech Mail ранее рассказывал, как графеновая система могла имитировать своеобразную «голограмму» черной дыры. В другом материале ученые изучали, как квантовые эффекты могут помочь разобраться с вопросом о том, что происходит внутри черных дыр и куда девается информация о процессах за горизонтом событий. А в лабораторных экспериментах уже удавалось создавать аналоги горизонта событий и наблюдать эффекты, напоминающие излучение Хокинга: подробнее об этом — в публикации Hi-Tech Mail.