Солнечный свет растапливает снежинки. Огонь превращает поленья в сажу и дым. Горячая духовка заставит магнит потерять свою силу притяжения. Физики знают из бесчисленных примеров, что если поднять температуру достаточно высоко, то любые структуры и последовательности разрушатся.

Однако недавно они нашли поразительное исключение. В серии результатов, полученных за последние несколько лет, исследователи показали, что идеализированное вещество, напоминающее два переплетённых магнита, теоретически может сохранять упорядоченную структуру независимо от того, насколько оно нагрето. Это открытие может повлиять как на космологию, так и на попытки воссоздать квантовые явления при комнатной температуре.

Несколько физиков выразили удивление и восторг по поводу того, что такой эффект возможен, пусть даже только в теории. «Это просто сбивает с ног, потому что такого вы не ожидаете», — сказал Фабиан Реннеке , исследователь из Института теоретической физики в Гиссене (Германия), который не принимал участия в работе.

«Я весьма заинтригован и думаю, как реализовать эту схему», — сказал Йорг Шмалян , физик из Технологического института Карлсруэ (Германия).

Добавляем жару

Толчком к открытию послужил вопрос аудитории на лекции в Еврейском университете Иерусалима в 2019 году. Зохар Комаргодски , физик, приехавший из Университета Стоуни-Брук, заметил, что любая форма порядка — например, регулярное расположение атомов в твёрдом теле или выравнивание атомов в магните — неизбежно разрушается при достаточно высоких температурах. Один из слушателей, Элиэзер Рабинович из Еврейского университета, спросил Комаргодского, уверен ли он в том, что это правда. После выступления они вместе с другими коллегами начали изучать этот вопрос.

Они не были первыми физиками, которые задались этим вопросом. В 1950-х годах Исаак Померанчук рассчитал, что небольшое нагревание переохлаждённых атомов жидкого гелия-3 приведёт к их замерзанию. Кристалл, известный как соль Рошеля, который используется в качестве слабительного, при более высоких температурах переходит в более упорядоченную структуру. Подобные курьёзы побудили физика и будущего нобелевского лауреата Стивена Вайнберга в 1970-х годах разработать идеализированную квантовую теорию термостойкого порядка. Но и в жидком гелии, и в соли Рошеля дальнейшее нагревание разрушает порядок. И теория Вайнберга также не работает при превышении определённой температуры.

Возможно ли, чтобы какая-то закономерность сохранялась вечно, независимо от того, насколько она нагрета? Комаргодски, Рабиновичи и соавторы задались целью выяснить это.

Термостойкий порядок

А потом физики обратили внимание на магнетизм.

Представьте себе кучу атомов, расположенных в квадратной сетке. Каждый атом действует как мини-магнит с северным полюсом, направленным вверх или вниз.

Если атомы выстраиваются по определённой схеме — например, все направлены в одну сторону, — у материала появляется магнитный порядок.

Представьте, что эта решётка лежит прямо поверх второй атомной решётки. Эти новые атомы могут свободно колебаться, направляя полюса в любую сторону, а не только вверх или вниз. Близлежащие атомы будут взаимодействовать, и пульсации в одной решётке будут вызывать пульсации в другой.

Теперь уменьшите масштаб, пока линии сетки не исчезнут и система не превратится в гладкий лист — квантовое поле. Атомы исчезли, но у поля по-прежнему есть две магнитные стрелки в каждой точке: одна направлена прямо вверх или вниз, а другая — в любом направлении.

Именно такое идеализированное поле, по мнению исследователей, способно поддерживать магнитный порядок при любой температуре.

В «прохладных» условиях стрелки, которые могут быть направлены вверх или вниз, подталкивают друг друга к выравниванию — скажем, вверх для всех, — в то время как стрелки со свободной направленностью показывают в случайные стороны. При повышении температуры можно было бы ожидать, что тепловая энергия начнёт насильственно переворачивать все стрелки, уничтожая всякое выравнивание. Но этого не происходит. Свободные стрелки вращаются ещё больше, стабилизируя магнитный порядок в стрелках «вверх-вниз». И этот порядок сохраняется даже при повышении температуры сколь угодно долго. Магнитный порядок никогда не исчезает.

Нюанс заключается в том, что этот трюк, по-видимому, лучше всего работает, когда свободно вращающиеся стрелки обладают большой свободой. Комаргодски представляет себе стрелки, которые могут указывать в любом направлении в абстрактном пространстве, состоящем из сотен измерений. Однако это не обязательно должны быть направления в реальном пространстве. Это могут быть все способы, которыми поле может изменяться математически, от точки к точке.

В 2020 году Комаргодски и его соавторы рассчитали, что магнетизм будет существовать в этой системе до бесконечных температур, но их математика основывалась на предположении, что вероятности не должны складываться в точности до 100% — это физически и логически невозможно.

Они оставили поиски более убедительного доказательства до осени 2024 года, когда команда европейских физиков — Майкл Шерер, Джунчен Ронг и Билал Хавашин – продвинулаcь дальше. Они восстановили 100-процентную вероятность (ценой игнорирования некоторых слабых магнитных взаимодействий) и обнаружили, что порядок сохраняется для стрелок, вращающихся всего в 15 абстрактных измерениях. Их работа вдохновила Комаргодского и нового сотрудника, Фёдора Попова, вернуться к этой проблеме и, наконец, найти строгое доказательство существования «неплавящегося» порядка, которое лишено всех предыдущих недостатков. В декабре они разместили препринт статьи, описывающей эту работу, и вскоре представят её для публикации.

«Мы можем с уверенностью сказать, что это то, что квантовая теория поля реализует, — говорит Шерер, который считает, что новое доказательство выдержит испытание. — Вопрос в том, что нам теперь с этим делать?»

Новое вдохновение

Знание того, что порядок теоретически может пережить любое количество тепла, может повлиять на теории зарождения Вселенной. Обычная история гласит, что порядок возник по мере остывания адских условий молодой Вселенной, но недавняя работа предлагает и более странные возможности.

«Теперь в вашем арсенале есть новые теории, которые вы можете использовать», — говорит Франческо Саннино , физик из Университета Южной Дании, который независимо нашёл доказательство термостойкого порядка в фундаментальных квантовых теориях.

Этот новый способ термозащиты квантовых моделей может вдохновить физиков, изучающих такие тонкие явления, как сверхпроводимость — фазу, в которой электрический ток течёт без сопротивления. Обычно тепло нарушает квантовое упорядочение, которое делает сверхпроводимость возможной, что ограничивает возможности её применения. Но, возможно, в материале, заимствующем ключевые черты из магнитной теории, идеальные токи смогут выдерживать повышение температуры.

«Я уверен, что та же идея будет работать и для сверхпроводников», — говорит Шмалян.