Es ist eine Wahrheit sowohl der Physik als auch der Alltagserfahrung, dass Dinge auseinanderfallen. Eis schmilzt. Gebäude stürzen ein. Wenn man lange genug wartet, vermischt sich jedes Objekt mit sich selbst und seiner Umgebung bis zur Unkenntlichkeit.

Doch ab 2005 ließen eine Reihe von Durchbrüchen diesen Todesmarsch als optional erscheinen. In genau der richtigen Quantenumgebung würde jede Anordnung von Elektronen oder Atomen für alle Ewigkeit bestehen bleiben – sogar ungleichmäßige Anordnungen voller Aktivität. Die Feststellung widersprach der landläufigen Meinung, dass Quantenphänomene fragile Dinge seien, die nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachtbar seien. Es hat auch ein Loch in die Grundlagen der Thermodynamik geschlagen, dem ehrwürdigen Zweig der Physik, der Phänomene wie Wärme und Entropie als unvermeidliche Folgen des Zusammenspiels riesiger Teilchenschwärme erklärt.

Die Ergebnisse waren für Physiker ein Schock Norman Yao, damals Doktorand und heute Professor an der Harvard University. „Heilige Hölle“, erinnerte er sich und benutzte dabei ein stärkeres Wort als „Hölle“. „Wenn dies in einem interagierenden Vielteilchensystem zutrifft, dann versagt die statistische Mechanik. Die Thermodynamik versagt.“

Die Vorstellung einer radikal neuen Quantenstabilität verbreitete sich. Es inspirierte Theoretiker dazu, eine Menagerie neuer Phasen der Quantenmaterie wie Zeitkristalle heraufzubeschwören – Systeme, die ein sich wiederholendes Verhalten auf unbestimmte Zeit aufrechterhalten, ohne Energie zu absorbieren. Und Quanteningenieure, die gegen die Scheu der Qubits beim Bau von Quantencomputern ankämpften, fassten Mut angesichts dieses Hinweises, dass ihr Kampf gewinnbar war.

„In einem Quantencomputer muss man sich seine Anfangsbedingungen merken können; sonst kann man nichts tun“, sagte Yao.

Die Anhäufung von Beweisen erreichte 2014 ihren Höhepunkt mit einem strengen mathematischen Beweis, dass Quantenmuster tatsächlich ewig bestehen könnten.

In den letzten Jahren ist jedoch das Versprechen ewig stabiler Quantenstrukturen selbst ins Wanken geraten. Solche Muster können tatsächlich Äonen andauern, wie die bahnbrechenden Experimente ergaben. Es gibt jedoch eine Debatte darüber, ob sich diese Äonen wirklich bis in die Ewigkeit erstrecken können, wie viele Physiker geglaubt haben. Im Zuge der Analyse der grundlegenden Natur des Quantenschicksals haben die beteiligten Physiker bisher unbekannte Quantenphänomene entdeckt, die die Stabilität großer Teilchenschwärme gefährden.

„Sie dachten, Sie hätten [diese Idee] wirklich gut verstanden, und jetzt ist es nicht mehr so“, sagte er Vedika Khemani, ein Physiker an der Stanford University. "Macht Spass. Es gibt wieder ein Rätsel zu lösen.“

Ein Geschmack der Ewigkeit

Eine frühe Ahnung der Quanten-Ewigkeit wurde von Phil Anderson aufgegriffen, einem Physiker, der auf seinem Gebiet zur Legende werden sollte. In den 1950er Jahren studierte Anderson an den Bell Labs etwas, was damals modernste Physik war – das Verhalten von Elektronen in Halbleitern. Während er versuchte, einige rätselhafte experimentelle Ergebnisse zu verstehen, dachte er über ein abstrakteres Problem nach.

War es möglich, fragte sich Anderson, ein einzelnes Quantenteilchen an Ort und Stelle einzufangen?

Es ist einfach, einen klassischen Gegenstand, etwa eine Billardkugel, einzufangen. Umgeben Sie es einfach mit Barrieren, wie den Schienen eines Billardtisches. Aber Quantenteilchen können sich völlig ungeachtet von Barrieren fortbewegen, indem sie durch sie „tunneln“. Der Haken ist, dass sie nicht weit reisen können. Das Tunneln wird schwieriger – das heißt exponentiell unwahrscheinlich –, je weiter ein Teilchen versucht, zu tunneln. Anderson fragte sich, welche Umgebung einen Quanten-Fluchtkünstler enthalten könnte.

Er fand heraus, dass das Geheimnis darin bestand, das Teilchen in eine „ungeordnete“ Quantenlandschaft zu stecken, die mit Gipfeln und Tälern übersät ist. Jeder Ort hätte eine zufällige Höhe, die eine zufällige Energie darstellt. In einem realen Material kann diese Störung von Verunreinigungen wie fehlenden Atomen oder Atomen verschiedener Elemente herrühren.

Bei ausreichender Unordnung, so schlussfolgerte Anderson, würde ein Teilchen nie weit tunneln. Um einen Tunnel zu bauen, muss ein Teilchen einen Ort mit einer ähnlichen Energie (oder in einer ähnlichen Höhe) wie den Ort finden, an dem es ursprünglich begonnen hat. Und mehr Unordnung macht solche Orte seltener. Durch einen genaueren Blick in die Landschaft könnte ein Partikel in der Lage sein, potenzielle Standorte mit einer angemessenen Zeitspanne auszukundschaften. Diese Rate könnte in „höheren“ Dimensionen wie 2D-Ebenen und 3D-Steinen recht hoch sein, wo dem Partikel mehr Optionen zur Verfügung stehen. Aber die exponentielle Schwierigkeit, diese Orte zu erreichen, würde immer noch schneller zunehmen, was den Tunnelbau zu einem unwahrscheinlichen Unterfangen machen würde.

Der Tunnelbau reichte nicht aus, argumentierte Anderson ein 1958-Papier. Eine ungeordnete Landschaft beliebiger Dimension würde ein Teilchen „lokalisieren“. Das Werk blieb jahrelang praktisch ungelesen, obwohl es ihm letztendlich einen Teil davon sichern sollte 1977-Nobelpreis für Physik.

Während Andersons Überlegungen von Elektronen in einem Halbleiter inspiriert waren, zeigt seine Formulierung, dass er abstrakter dachte. Die Anomalie, die ihn motiviert hatte, war ein mysteriöser Widerstand der Elektronen gegen einen Prozess, der als Thermalisierung bekannt ist. Er versuchte tiefer zu verstehen, wann ein System Thermalisierung durchführte und wann nicht. Er war nicht der erste Physiker, der dieses Phänomen untersuchte, aber die Fragen, die er in seiner Arbeit aufwarf, sollten die Fantasie einer späteren Generation von Physikern anregen.

„Es war seiner Zeit 50 Jahre voraus“, sagte er David Huse, ein Physiker an der Princeton University.

Umgangssprachlich bezeichnet Thermalisierung die natürliche Tendenz von Systemen, durcheinander zu geraten. Ein neues Kartenspiel verliert schnell seine ursprüngliche Ordnung. Eine Sandburg windet sich als nasser Sandklumpen auf. In der Thermodynamik ist dieser Trend eine direkte Folge der Statistik. Es gibt nur wenige Möglichkeiten, Ordnung zu schaffen, und es gibt sehr viele Möglichkeiten, sie zu verwechseln. Es ist also sehr wahrscheinlich, dass ein ursprünglich geordnetes System am Ende gemischt wird.

Das Hauptmerkmal der Thermalisierung besteht darin, dass alle anfänglichen Muster durch das Mischen ausgelöscht werden. Beispielsweise breitet sich jeder anfängliche Hotspot oder jede Energiekonzentration aus, bis keine weitere Ausbreitung mehr möglich ist. An diesem Punkt wird das System stabil und ändert sich nicht mehr merklich – ein Szenario, das Physiker als thermisches Gleichgewicht bezeichnen.

Rückblickend erkennen Physiker, dass Andersons Arbeit den Keim einer Rebellion gegen die Thermalisierung enthielt. Er hatte gezeigt, dass eine ungeordnete Landschaft ein Teilchen einfangen kann. Die entscheidende Frage lautete: Könnte es viele Partikel lokalisieren? Wenn Partikel an Ort und Stelle stecken blieben, würde sich die Energie nicht ausbreiten und ein System würde niemals thermisch werden. Als Gegenteil der Thermalisierung würde die Lokalisierung eine völlig neue Art von Stabilität darstellen, eine unerwartete Möglichkeit für Quantenenergiemuster, für immer bestehen zu bleiben.

„Zu wissen, ob Thermalisierung diese universelle Sache ist, die in einem geschlossenen System geschieht, oder ob sie vollständig zusammenbrechen kann“, sagte er Maissam Barkeshli, ein Physiker an der University of Maryland, „ist eine der grundlegendsten Fragen der Physik.“

Um diese Frage zu beantworten, müsste jedoch ein Problem gelöst werden, das Andersons mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Arbeit wie eine Aufwärmübung erscheinen ließ. Das Grundproblem besteht darin, dass sich Gruppen von Teilchen auf äußerst komplexe Weise gegenseitig beeinflussen können. Die Erklärung dieser Wechselwirkungen erwies sich als so kompliziert, dass zwischen Andersons Veröffentlichung von 50 und den ersten ernsthaften Versuchen, die Lokalisierung in Vielteilchensystemen, die Physiker als Vielteilchenlokalisation bezeichnen, zu verstehen, fast 1958 Jahre vergingen.

Die unglaubliche Antwort, die sich ein halbes Jahrhundert später ergab, war, dass Thermalisierung nicht immer unvermeidlich ist. Trotz der Thermalisierung schien eine Vielteilchenlokalisierung möglich.

„Es verstößt gegen die Gesetze der Thermodynamik“, sagte er Wojciech De Roeck, ein Physiker an der KU Leuven in Belgien. „Das bedeutet, dass das Chaos nicht immer siegt.“

Der Aufstieg der Vielteilchenlokalisierung

Die Blockbuster-Fortsetzung von Andersons Werk erschien 2005, als Denis Basko, Igor Aleiner und Boris Altschuler, Physiker mit Verbindungen zu den Universitäten Princeton und Columbia, veröffentlichten ein wegweisendes Papier, das ihre Initialen für Forscher auf diesem Gebiet sofort erkennbar machen würde. Darin untersuchte BAA, ob atomare Verunreinigungen in einem Metall Elektronen lokalisieren, sie in der Nähe von Atomen einfangen und das leitende Material in einen Isolator umwandeln können.

In 88 Seiten Mit einer dichten Mathematik bestehend aus 173 nummerierten Gleichungen und 24 Abbildungen (ohne Anhänge) zeigte BAA, dass ein unordentliches Material tatsächlich Gruppen von Elektronen aufhalten konnte, ähnlich wie Anderson gezeigt hatte, dass es ein Teilchen aufhalten konnte. Ihre Arbeit leitete effektiv die Untersuchung der Vielteilchenlokalisierung (MBL) ein.

„Es war wirklich eine Meisterleistung“, sagte Khemani. „Sie haben gezeigt, dass MBL in allen Dimensionen stabil ist.“ Auch das Werk war undurchdringlich. Die Forscher glaubten daran, verstanden es aber nicht gut genug, um darauf aufzubauen. „Niemand außer ihnen könnte die BAA-Berechnung wirklich durchführen“, sagte er Jed Pixley, ein Physiker der kondensierten Materie an der Rutgers University.

Aber die Erkenntnisse der BAA erregten Aufsehen auf dem gesamten Princeton-Campus. Basko erzählte es seinem Freund Vadim Oganesyan, der es mit seinem Berater David Huse besprach. Die beiden führten bereits Computersimulationen durch, die es ihnen ermöglichen würden, die Ideen von BAA direkter im abstrakteren Kontext der Thermalisierung zu testen.

In ihren Simulationen stellten Huse und Oganesyan Ketten aus Quantenteilchen auf, die nach oben oder unten zeigen und ihre Nachbarn umdrehen konnten. Als sie gemäß dem Lokalisierungsrezept immer mehr Unordnung hinzufügten, sahen sie Anzeichen dafür, dass die Teilchenketten von einem Thermalisierungsszenario (bei dem beispielsweise ein schnell umdrehendes Teilchen seine Energie ausbreitet und anfängt, seine Nachbarn umzudrehen) zu einem nahezu umschalteten lokalisiertes Szenario (wo das Teilchen seine Energie behalten würde). Der Übergang von der Thermalisierung zur Lokalisierung auf einem bestimmten Grad der Unordnung ähnelte eher den Übergängen zwischen Materiephasen, etwa zwischen Flüssigkeit und Eis, die bei einer bestimmten Temperatur auftreten.

Könnte sich MBL als eine Art Phase qualifizieren? Phasen nehmen in der Physik einen besonderen Stellenwert ein. Sie haben auch eine spezielle Definition. Entscheidend ist, dass eine Phase der Materie über einen unendlich langen Zeitraum und für ein unendlich großes System stabil sein muss. Wenn es tatsächlich einen Übergang zwischen Thermalisierung und Lokalisierung gäbe und wenn die Lokalisierung für unendliche Systeme auf unbestimmte Zeit stattfinden würde, könnten die beiden Arten der Stabilität vielleicht als eigenständige Phasen betrachtet werden.

Oganesyan und Huse konnten unendlich lange Ketten nicht über unendlich lange Zeiträume simulieren (sie konnten etwa ein Dutzend Teilchen simulieren), daher waren sie nicht überrascht, dass sie unvollständige Anzeichen einer Lokalisierung sahen. Aber je länger sie ihre Ketten machten, desto schärfer wurde der Übergang zur Lokalisierung. Ihr erstes Werk, veröffentlicht im Jahr 2006, deutete auf die faszinierende Möglichkeit hin, dass es für unendlich lange Ketten mit ausreichender Unordnung eine Lokalisierungsphase geben könnte.

Vielleicht noch wichtiger war, dass ihre Simulationen leicht zu verstehen waren. „David hat die Berechnung durchgeführt, damit sie jeder durchführen kann“, sagte Pixley.

Nachfolgende numerische Studien stützten die Annahme, dass eine raue Landschaft Energie lokalisieren könnte, und Physiker begannen, über die Auswirkungen nachzudenken. Energiefluten, oft in Form von Wärme, zerstören empfindliche Phasen der Quantenmaterie. Aber wenn ausreichend gezackte Spitzen die Energieausbreitung stoppen könnten, könnten Quantenstrukturen praktisch bei jeder Temperatur überleben. „Man ist in der Lage, Phänomene zu erhalten, die wir nur bei Nulltemperaturen wirklich assoziieren und verstehen“, sagte er Anushya Chandran, ein Physiker an der Boston University, der als Doktorand in Princeton MBL studierte.

Eine hochkarätige Quantenstruktur, die aus MBL hervorging, war ein zeitliches Muster. Drehen Sie ein Ende einer Teilchenkette mit einer bestimmten Geschwindigkeit um, und die gesamte Kette könnte zwischen zwei Konfigurationen hin- und herwechseln, ohne dabei Energie aus dem Umdrehen zu absorbieren. Diese "Kristalle der Zeit„waren eine exotische Ungleichgewichtsphase der Materie, die nur möglich war, weil eine ausreichend ungeordnete Landschaft verhinderte, dass jede denkbare Anordnung von Teilchen ein thermisches Gleichgewicht erreichte.

„Es gibt einfach kein Analogon“, sagte Khemani, der zu dieser Zeit durch Princeton kam und später eine Pionierrolle beim Verständnis und der Herstellung von Zeitkristallen spielen sollte. „Das ist ein kompletter Paradigmenwechsel.“

Das letzte Teil des theoretischen Puzzles kam 2014 zusammen, als John Imbrie, ein mathematischer Physiker an der University of Virginia, zeigte, dass, wenn man eine unendlich lange Kette von Teilchen mit genügend Unordnung aneinanderreihen könnte, Jede Konfiguration würde lokalisiert bleiben. Trotz der Fähigkeit der Teilchen, mit ihren Nachbarn zu interagieren, würden sie einzeln für immer ihr eigenes Ding machen.

Der strenge mathematische Beweis, wie er in der Physik selten ist, war das Ergebnis fünfjähriger Bemühungen. Es war so gut wie eine Garantie dafür, dass eine Lokalisierung möglich war, und festigte seinen Status als Phase. „Wenn man mathematisch argumentiert, muss man jede Möglichkeit in Betracht ziehen“, sagte Imbrie. „Das ist ein Teil der Schönheit.“

Etwa zur gleichen Zeit bestätigten Physiker mit Laboren, die auf die Manipulation kalter Atome spezialisiert waren, dass sich reale Teilchen ähnlich verhielten wie digitale. Eine bescheidene Anzahl von Atomen, die durch Lichtberge getrennt sind, breitet sich in eisigem Tempo aus in 1D-Linien angeordnet und wann in 2D-Gittern angeordnet.

Mit einem Übergewicht an experimentellen, mathematischen und numerischen Beweisen schien MBL dazu bestimmt zu sein, neben Magnetismus und Supraleitung in das Pantheon der Phasenübergänge einzutreten. Die Physiker erwarteten, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme in unterschiedlichen Dimensionen ihr vermutetes thermodynamisches Schicksal eklatant außer Acht lassen könnten.

Im Jahr 2022 verlieh die American Physical Society Altshuler, Huse und Aleiner den prestigeträchtigen Preis Lars-Onsager-Preis, benannt nach dem mathematischen Physiker, der bewiesen hat, dass a Cartoon-Modell erfasste den Phasenübergang, als ein Material magnetisiert wurde.

Doch bereits vor der Preisverleihung begann die Vorstellung von unendlich haltbaren Bauwerken zu zerfallen.

Der Beginn des Wackelns

Das erste Beben kam etwa anderthalb Jahre nach Imbries Beweis.

Denken Sie daran, dass man davon ausgeht, dass der Übergang von der Thermalisierung zur Lokalisierung wie Übergänge zwischen bekannten Phasen der Materie abläuft. Wenn beispielsweise Metall magnetisiert wird, ändern sich bestimmte Eigenschaften mit bestimmten Geschwindigkeiten, die durch sorgfältig berechnete Gleichungen beschrieben werden. Bestimmte Werte in diesen Gleichungen haben bestimmte Exponenten, wie zum Beispiel 2 in x².

Für einen echten Phasenübergang in einer Dimension hatten Mathematiker bewiesen, dass zwei dieser Exponenten größer als 2 sein müssen. Die MBL-Simulationen hatten jedoch ergeben, dass sie 1 waren – eine große Meinungsverschiedenheit. In einem Noch unveröffentlichter Vorabdruck In einer 2015 veröffentlichten Studie zeigten Oganesyan und Chandran zusammen mit Christopher Laumann von der Boston University, dass die Diskrepanz nicht nur ein trivialer Nebeneffekt der Untersuchung kurzer statt unendlicher Ketten war. Etwas Grundlegenderes schien nicht in Ordnung zu sein.

„Sie haben sich das genau angesehen“, sagte Huse. „Aber wir konnten nicht herausfinden, was los war.“

In den nächsten Jahren kam es zu einer Reihe größerer Schocks. Stellen Sie sich die Art von Berglandschaft vor, die zu MBL führen würde. Erweitern Sie nun diese Landschaft in alle Richtungen bis ins Unendliche. Wenn Sie zufällig genug davon erkunden, werden Sie irgendwann auf eine ausgedehnte flache Stelle stoßen.

Teilchen in einer flachen Zone können leicht Zustände ähnlicher Energie finden, in die sie tunneln können, sodass sie sich vermischen und thermisch werden. In einer solchen Region gibt es viele Energiezustände, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ein Teilchen in den benachbarten Bergen Kontakt aufnehmen und selbst thermisch werden könnte, argumentierte De Roeck von der KU Leuven und François Huveneers, der damals an der Universität Paris-Dauphine in Frankreich war. Somit kann die flache Zone als Quelle thermischer Energie dienen.

Aber könnte ein so kleiner Patch das gesamte System lahmlegen? Das Szenario schien intuitiv ungefähr so ​​plausibel wie ein Whirlpool in Denver, der eine Kernschmelze in Vail, Breckenridge und Telluride auslöste. Die Physiker haben es nicht sofort akzeptiert. Als De Roeck und Huveneers auf Konferenzen die Möglichkeit ansprachen, lösten ihre Vorträge beim Publikum Wutausbrüche aus.

„Es war eine große Überraschung“, sagte De Roeck. „Viele Leute haben uns am Anfang nicht geglaubt.“

In einer Reihe von Aufsätzen beginnend mit 2016, De Roeck, Huveneers und Mitarbeiter legten ihre Argumente für einen Prozess dar, der heute als Lawine bekannt ist. Sie argumentierten, dass im Gegensatz zu einem Whirlpool ein Tropfen aus Thermalpartikeln zu einem Ozean werden kann.

„Sie haben ein Hitzebad, und es rekrutiert benachbarte Standorte in das Hitzebad“, sagte Imbrie. „Es wird immer stärker und zieht immer mehr Standorte an. Das ist die Lawine.“

Die entscheidende Frage war, ob eine Lawine an Dynamik gewinnen oder an Schwung verlieren würde. Tatsächlich würde das Wärmebad mit jedem Schritt zu einem größeren und besseren Energiespeicher werden. Aber jeder Schritt machte auch die Thermalisierung des nächsten Standorts schwieriger. Die Debatte erinnerte an Andersons Einzelpartikellokalisierung und lief auf einen Wettlauf zwischen zwei Effekten hinaus: der Verbesserung des Bades einerseits und seiner Schwierigkeit, weiter zu wachsen andererseits.

De Roeck und Huveneers argumentierten, dass Lawinen in zwei und drei Dimensionen gewinnen würden, weil sie unglaublich schnell Energiezustände anhäuften – mit Raten, die mit ihrer schnell wachsenden Fläche (in 2D) oder ihrem Volumen (in 3D) korrelierten. Die meisten Physiker kamen zu der Überzeugung, dass Lawinen in diesen Landschaften unaufhaltbar seien, was MBL in Platten oder Ziegeln zu einer fernen Aussicht machte.

Aber die Möglichkeit von MBL in eindimensionalen Ketten blieb bestehen, weil eine Lawine, die über eine Linie fegt, Energiezustände langsamer aufbaut. Tatsächlich wird das Wärmebad etwa in dem Maße stärker, in dem die Wachstumsschwierigkeit zunimmt. Es war ein Unentschieden. Lawinen könnten in 1D weitergehen oder aufhören.

Andere Physiker waren unterdessen skeptisch, dass MBL sogar in einer 1D-Kette existieren könnte. Im Jahr 2019 war ein Team slowenischer Chaos-Experten darunter Tomaž Prosen analysierte alte numerische Daten erneut und betonte die Tatsache, dass sich die Thermalisierung enorm verlangsamte, je bergiger die Landschaft wurde aber nie ganz aufgehört – eine unbequeme Wahrheit, die MBL-Forscher für ein Artefakt ihrer kleinräumigen Simulationen gehalten hatten. Anatoli Polkownikow der Boston University und Trocknet Sels, jetzt unter anderem von der New York University und dem Flatiron Institute, kam dazu ähnliche Schlussfolgerungen. Ihre Argumente stellten den zentralen Reiz von MBL direkt in Frage: das Versprechen ewigen Lebens für eine Quantensandburg.

„Auf der Ebene der Theoretiker, die über MBL sprechen“, sagte Chandran, „gibt es ein ehrliches Regime, in dem [die Thermalisierungszeit] nicht nur das Alter des Universums ist und wir es nicht sehen können.“ Nein, es ist wirklich unendlich.“

Es folgte eine lebhafte Debatte, sowohl in der wissenschaftlichen Literatur als auch in privaten Diskussionen. Sels und Huse verbrachten während des Höhepunkts der Pandemie Stunden mit Zoom. Sie redeten zeitweise aneinander vorbei, aber jeder lobt den anderen für produktive Einsichten. Die Einzelheiten der Kontroverse sind äußerst technisch, und nicht einmal die beteiligten Forscher können alle Perspektiven vollständig artikulieren. Aber letztendlich sind ihre Unterschiede darauf zurückzuführen, dass jedes Lager eine andere, gebildete – äußerst gebildete – Vermutung darüber anstellt, was man sehen würde, wenn man zusehen könnte, wie sich eine Kette von Teilchen für immer umdreht.

Die beiden Seiten sind sich immer noch uneinig darüber, ob es in einer Dimension eine echte MBL-Phase gibt, aber ein konkretes Ergebnis des Konflikts ist, dass er Forscher dazu veranlasste, die Auswirkungen von Lawinen auf den vermuteten Beginn von MBL zu untersuchen.

Die skeptischen Gruppen „hatten einige sehr gute Argumente, aber sie gingen etwas zu weit“, sagte Huse. „Es hat uns wirklich motiviert.“

Huse hat in Zusammenarbeit mit einem Team von MBL-Veteranen, zu denen auch Khemani gehörte, eine Möglichkeit gefunden, die Auswirkungen einer Lawine auf kurze Ketten zu simulieren, ohne tatsächlich eine auszulösen. (Niemand hat eine Lawine gesehen, auch nicht numerisch, denn um eine ausreichend große flache Stelle zu erhalten, bräuchte man möglicherweise eine Kette von mehreren Milliarden Partikeln Länge, schätzt Sels, und Forscher untersuchen typischerweise Ketten von etwa 12.) Anschließend entwickelte Sels sein eigenes Lawinenmodell. hoch.

Die beiden Gruppen kamen zusammen ähnlich Schlussfolgerungen im Jahr 2021: Der MBL-Übergang, sofern er existierte, erforderte eine viel bergigere Landschaft, als die Forscher angenommen hatten. Bei dem Grad der Robustheit, von dem bisher angenommen wurde, dass er zu MBL führt, würde sich die Thermalisierung zwar verlangsamen, aber nicht stoppen. Um den Quantenschneemännern eine Chance zum Kampf gegen Lawinen zu geben, müsste die Landschaft ungeordneter sein, als Huse und Co. vermutet hatten. Huses Gruppe stellte zunächst fest, dass die Berge mindestens doppelt so zerklüftet sein müssten. Durch die Arbeit von Sels wurde diese Zahl auf mindestens das Sechsfache erhöht, wodurch die Berge eher dem Himalaya als den Rocky Mountains ähnelten. In diesen extremen Umgebungen kann es immer noch zu MBL kommen, aber die Theorie, die um den weniger rauen Übergang herum aufgebaut wurde, hatte tatsächlich Probleme.

„Wir haben es irgendwie zu gründlich akzeptiert und nicht auf die Feinheiten geachtet“, sagte Huse.

In den Arbeiten von 2021 haben die Forscher das MBL-Phasendiagramm für 1D-Ketten neu geschrieben und erweitert. In Kansas-ähnlichen Flachlandgebieten thermischen Partikel schnell. In den Rocky Mountains klassifizierten die Forscher die MBL-„Phase“ in ein „vorthermisches Regime“. Dies ist das scheinbar stabile Regime, das von BAA, den Princeton-Simulationen und Atomexperimenten entdeckt wurde. Aber jetzt waren die Forscher zu dem Schluss gekommen, dass sich die durch die Rocky Mountains getrennten Partikel tatsächlich vermischen und thermischen Ursprungs bilden würden, wenn man extrem lange warten würde – bei manchen Versuchsanordnungen buchstäblich Milliarden von Jahren.

Jenseits der Rocky Mountains liegt der Himalaya. Was dort passiert, bleibt eine offene Frage. Sels und Prosen sind davon überzeugt, dass sich die Energie ausbreiten und schließlich eine Thermalisierung stattfinden wird, auch wenn dies Äonen dauern wird. Huse und Co. glauben weiterhin, dass echtes MBL einsetzt.

Der Hauptgrund für ihren Glauben an MBL ist der Beweis aus dem Jahr 2014. Von den einst zahlreichen Beweissäulen, die die Existenz eines echten MBL stützten, ist Imbries Beweis der letzte, der noch steht. Und nachdem er eine Karriere lang maßgeschneiderte mathematische Werkzeuge für genau diese Art von Problemen entwickelt hat, steht er dazu.

„Es ist in der Mathematik keine Seltenheit, dass ein Beweisfehler auftritt“, sagte er, „aber ich glaube, ich weiß, was ich tue.“

Der Beweis spaltet jedoch die Physiker, weil die Physiker ihn nicht verstehen. Es liegt nicht daran, dass man es nicht versucht hat. Einmal ließ Laumann Imbrie ihm und einer Handvoll Forschern innerhalb einer Woche in Italien den Beweis beibringen, aber sie konnten die Schritte nicht im Detail nachvollziehen. Das ist jedoch nicht ganz überraschend, da Physiker die Mathematik normalerweise schneller und lockerer anwenden als Mathematiker. Imbries Argumentation hängt nicht von einem bestimmten Grad an Robustheit in der Landschaft ab, sodass die jüngsten Überarbeitungen des MBL-Phasendiagramms es in keiner Weise untergraben. Um festzustellen, ob MBL wirklich existiert, müssen sich die Forscher anstrengen und entweder ein Problem im Beweis finden oder jede Zeile überprüfen.

Solche Bemühungen sind im Gange. Sels und seine Mitarbeiter sagen, dass sie ein Argument finalisieren, das dem von Imbrie widersprechen wird. Unterdessen arbeiten De Roeck und Huveneers, die Mathematiker, die die Gefahr von Lawinen entdeckt haben, seit zwei Jahren daran, Imbries Beweis in einer verständlicheren Form umzuschreiben. De Roeck sagt, dass alle wichtigen Teile in Ordnung gebracht wurden und dass die Logik bisher solide aussieht.

„MBL, ich glaube, dass es existiert“, sagte De Roeck. Aber „wir machen hier Mathematik, also kann jedes kleine Problem das Ganze zum Scheitern bringen.“

Jenseits der Quantenengel

In dem Universum, in dem wir leben, das sich in einer unvorstellbaren Anzahl von Jahren selbst verwärmen wird, ist Beständigkeit immer eine Illusion. Manhattan versinkt unter seinem eigenen Gewicht 1.6 Zentimeter pro Jahrzehnt. Die Kontinente werden in etwa 250 Millionen Jahren verschmelzen. Und während es ist Ein Mythos Obwohl die Böden mittelalterlicher Buntglasfenster im Laufe der Jahrhunderte leicht dicker geworden sind, gehen Physiker davon aus, dass das Glas über einen unbekannten Zeitraum, wahrscheinlich viele Milliarden Jahre oder mehr, fließt.

Wenn sich MBL als instabil erweist, wird ein lokalisiertes Vielteilchensystem mindestens so langlebig sein wie jedes dieser Beispiele. Dies gilt auch für Quantenphänomene, die von MBL-Zuständen abhängen. Zeitkristalle zum Beispiel könnten ihre Lehrbuchbezeichnungen als „Phasen der Materie“ verlieren, aber sie wären immer noch in der Lage, viel, viel länger weiterzumachen als die Quantencomputer, die sie simulieren (oder die Menschen, die die Computer bedienen). diese Angelegenheit). Vielen Akademikern liegt die mathematische Möglichkeit, die Thermalisierung zu besiegen, als die schöne akademische Frage, die sie ist, sehr am Herzen. Aber heutzutage verlieren die meisten nicht mehr viel Schlaf darüber.

„Vielleicht waren es immer Engel, die auf einer Stecknadelspitze tanzten“, sagte Chandran.

Stattdessen haben Chandran und andere die Chance genossen, ein neues Thermalisierung verursachendes Phänomen zu entdecken, das Physiker tatsächlich in kleinen Systemen beobachten könnten.

Bereits im Jahr 2018 hatten sie und ihr Mitarbeiter Philip Crowley versucht zu verstehen, warum kleine Ketten scheinbar langsam thermisieren, obwohl sie viel zu klein waren, als dass flache Stellen entstehen könnten. Das Duo stellte fest, dass Gruppen von Teilchen gelegentlich Glück hatten und von einer benachbarten Gruppe genau die Menge Energie borgten, die sie brauchten, um in eine neue Konfiguration zu wechseln. Sie nannten diese Zufälle „Resonanzen“ und beobachteten, wie sie dazu neigten, sich von Gruppe zu Gruppe auszubreiten, was zu einer langwierigen Thermalisierung in Systemen führte, die für Lawinen zu klein waren. Im Jahr 2020 zeigten sie, dass Resonanzen die Exponenteninkongruenz von 2015 erklären können und viele der fischigen Merkmale Diese Erkenntnisse haben Huse und das Unternehmen dabei geholfen, das Phasendiagramm für kurze Ketten im Jahr 2021 zu aktualisieren.

Heute glauben Physiker, dass Resonanzen bescheidene Ketten mit Unordnung auf Rocky-Niveau-Ebene destabilisieren, während Lawinen längere Ketten mit höherer Unordnung destabilisieren.

Während Chandran und andere ihre Simulationen und Experimente verbessern und längere, rauere Ketten erkunden, fragen sie sich, was sonst noch im Himalaya und darüber hinaus lauern könnte.

„Es scheint, als ob dort noch andere Physik im Spiel wäre“, sagte Huse. „Das wäre das Schönste für mich. Ich mag es, neue Dinge zu entdecken.“

Anmerkung des Herausgebers: Einige Forscher, die in diesem Artikel erscheinen, wurden von der Simons Foundation gefördert, die auch dieses redaktionell unabhängige Magazin finanziert. Finanzierungsentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf unsere Berichterstattung. Weitere Details verfügbar hier.