Σε πείσμα των νόμων της θερμοδυναμικής, τα πειράματα αρχίζουν να δείχνουν ότι μια κβαντική κατάσταση που παραμένει παγωμένη για πάντα ίσως τελικά να μην είναι αδύνατη. Αν καταφέρουμε να τη χαλιναγωγήσουμε, μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για εντελώς νέα είδη ύλης.
Σε κβαντικές καταστάσεις που, θεωρητικά, διαρκούν για πάντα, τα σωματίδια αναπηδούν ξανά και ξανά, σαν να βρίσκονται σε μια αίθουσα με καθρέφτες. Guy Bell/Alamy; Yayoi Kusama, Infinity Mirrored Room
Εδώ και σχεδόν 70 χρόνια, οι φυσικοί κυνηγούν το όνειρο της κβαντικής αιωνιότητας: μια διάταξη ατόμων τοποθετημένων έτσι ώστε οι κβαντικές καταστάσεις ανάμεσά τους να μένουν παγωμένες για πάντα, σαν το φως που ανακλάται σε έναν ατέλειωτο διάδρομο από καθρέφτες. Η απόδειξη ότι κάτι τέτοιο μπορεί να υπάρξει δεν θα αποτελούσε μόνο ένα εντυπωσιακό επιστημονικό ορόσημο. Θα ήταν και εξαιρετικά χρήσιμη. Κβαντικές καταστάσεις που διαρκούν για πάντα —ή έστω για πολύ μεγάλο διάστημα— θα μπορούσαν να επιτρέψουν τη δημιουργία εντελώς νέων καταστάσεων της ύλης, κάποιες από τις οποίες ίσως αποτελέσουν τη βάση για ισχυρούς νέους κβαντικούς υπολογιστές. «Θα άνοιγε μια ολόκληρη νέα κατηγορία φάσεων που διαφορετικά είναι αδύνατη», λέει ο μαθηματικός φυσικός Wojciech De Roeck από το KU Leuven στο Βέλγιο.
Έχουμε ρίξει μια ματιά στο μυστικό κβαντικό τοπίο μέσα σε όλη την ύλη
Υπάρχει, όμως, σοβαρός λόγος για τον οποίο η αιωνιότητα έμοιαζε πάντα άπιαστη. Η θερμοδυναμική, ένας από τους κεντρικούς πυλώνες της σύγχρονης θεωρητικής φυσικής, επιμένει ότι οι λεπτές λεπτομέρειες των πραγμάτων σβήνουν αναπόφευκτα με τον χρόνο. Και μέχρι πρόσφατα, οι προσπάθειες των φυσικών να μελετήσουν την κβαντική αιωνιότητα έμοιαζαν μόνο να επιβεβαιώνουν αυτή τη φαινομενικά αμετάβλητη αλήθεια. Τώρα, όμως, τα δεδομένα φαίνεται να αλλάζουν και ισχυρά πειράματα δείχνουν ότι η αιωνιότητα ίσως δεν είναι εκτός εμβέλειας.
Ένας από τους κανόνες που διέπουν την πραγματικότητα είναι ότι τα πράγματα τείνουν να γίνονται πιο ακατάστατα με τον χρόνο, αν δεν καταναλωθεί ενέργεια για να παρέμβει κανείς. Αυτό ισχύει γενικά στη ζωή, αλλά αποτελεί και βασική παραδοχή της θερμοδυναμικής, της φυσικής της θερμότητας, του έργου και της ενέργειας. Εξηγεί γιατί, όταν ρίχνουμε γάλα στον καφέ, το φλιτζάνι αποκτά ένα κρεμώδες, ομοιόμορφο μπεζ χρώμα, ακόμη κι αν δεν ανακατέψουμε. Πιο γενικά, η θεωρία λέει ότι όλα τα συστήματα τελικά θερμοποιούνται, δηλαδή τα διαφορετικά τους μέρη αναμειγνύονται σε μέσους όρους.
Με βάση αυτό, θα περίμενε κανείς πως τίποτα δεν μπορεί να αντέξει για πάντα. Το 1958, όμως, ο φυσικός Philip Anderson πρότεινε μια εντυπωσιακή πιθανή εξαίρεση στον κόσμο των υλικών. Για να το καταλάβει κανείς, αρκεί να φανταστεί το εσωτερικό ενός υλικού σαν ένα πλέγμα διαφορετικών ειδών ατόμων, που μπορούν να είναι περισσότερο ή λιγότερο οργανωμένα. Τα κρύσταλλα, για παράδειγμα, έχουν συνήθως ένα αυστηρά επαναλαμβανόμενο τρισδιάστατο μοτίβο ατόμων, ενώ σε άλλα υλικά, όπως το γυαλί, τα άτομα είναι ιδιαίτερα ακατάστατα. Τα υλικά μπορούν επίσης να επιτρέπουν σε σωματίδια και κύματα, όπως τα ηλεκτρόνια ή το φως, να κινούνται μέσα από αυτά.
Ο Anderson φαντάστηκε ότι παίρνει ένα κρύσταλλο και προσθέτει αταξία — για παράδειγμα ακαθαρσίες ή άτομα που έχουν μετακινηθεί ελαφρώς από τη θέση τους. Πίστευε ότι σε ορισμένες τέτοιες διατάξεις ένα ηλεκτρόνιο που κινείται σαν κύμα θα σκεδάζεται ξανά και ξανά πάνω στην αταξία. Αυτές οι ανακλάσεις θα αλληλοαναιρούνταν τόσο πλήρως, ώστε το ηλεκτρόνιο δεν θα μπορούσε να πάει πουθενά. Το σωματίδιο θα παγιδευόταν, μια κβαντική κατάσταση παγωμένη στον χρόνο, τουλάχιστον μέχρι να πάψει να υπάρχει το ίδιο το υλικό. Ο Anderson έδειξε θεωρητικά ότι αυτό μπορούσε να συμβεί και μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής το 1977. Δεκαετίες αργότερα, πειράματα επιβεβαίωσαν ότι είχε δίκιο, έστω και σε απλοποιημένα σύνολα ατόμων, όπου τα σωματίδια δεν τραβούσαν, δεν έσπρωχναν και δεν αντάλλασσαν ενέργεια όπως συμβαίνει στον πραγματικό κόσμο.
Ο Anderson, ωστόσο, υπέθεσε ότι το φαινόμενό του θα εμφανιζόταν και στον ακατάστατο κόσμο των πραγματικών υλικών, όπου τα σωματίδια όντως σπρώχνουν και τραβούν το ένα το άλλο. Η ιδέα ότι ένα παγιδευμένο σωματίδιο θα μπορούσε να αποφύγει το «ταρακούνημα» και να περάσει σε μια παγωμένη κατάσταση έγινε γνωστή ως εντοπισμός πολλών σωμάτων, ή many-body localisation (MBL). «Το χάος θα έπρεπε να είναι παντού. Θα έπρεπε να είναι λίγο-πολύ αναπόφευκτο», λέει ο De Roeck. «Ωστόσο, αυτά τα συστήματα many-body-localised δεν εμφανίζουν χάος.»
Οι νόμοι της θερμοδυναμικής επιμένουν ότι τα πάντα τελικά καταρρέουν και γίνονται πιο ακατάστατα, εκτός αν δαπανηθεί ενέργεια για παρέμβαση. Robert Walker/Millennium Images, UK
Η δελεαστική υπόσχεση της αιωνιότητας τράβηξε το ενδιαφέρον γενεών φυσικών, αλλά μόλις το 2006 εμφανίστηκε η πρώτη σοβαρή ένδειξη ότι το MBL ίσως είναι πραγματικά δυνατό. Οι φυσικοί Denis Basko από το Princeton University και οι Igor Aleiner και Boris Altshuler, και οι δύο από το Columbia University στη Νέα Υόρκη, διαμόρφωσαν ένα μαθηματικό μοντέλο για ένα αγώγιμο υλικό μέσα στο οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται εύκολα. Έπειτα απέδειξαν μαθηματικά ότι, αν άλλαζε η δομή του υλικού ώστε να γίνει πιο ακατάστατη, τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να παγιδευτούν, δημιουργώντας MBL και μετατρέποντας τον αγωγό σε ηλεκτρικό μονωτή.
Αυτό δεν ήταν πειραματική απόδειξη, αλλά η θέση του MBL ενισχύθηκε σημαντικά. Ακόμη πιο σημαντικό, η εργασία έδειξε ότι αν καταφέρναμε να δημιουργήσουμε πραγματικά ένα MBL, θα άλλαζε θεμελιωδώς τις ιδιότητες των υλικών — ίσως ακόμη και να δημιουργούσε εντελώς νέες καταστάσεις της ύλης. Ένα παράδειγμα είναι ο «time crystal», όπως τον είχε αρχικά φανταστεί το 2012 ο φυσικός Frank Wilczek, αλλά υπάρχουν και αρκετά άλλα που θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμα για κάθε λογής τεχνολογίες, από την αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών μέχρι εξαιρετικά ακριβή ρολόγια.
Το πρόβλημα με αυτές τις καταστάσεις είναι ότι, αν και πολλές έχουν εντοπιστεί, δεν κρατούν για πολύ. Για να διαρκέσουν, θα έπρεπε να πετύχουμε πλήρως το MBL. «Υπάρχουν λοιπόν όλοι αυτοί οι δρόμοι που έχουν ήδη εξερευνηθεί, αλλά από πάνω τους αιωρείται μια αμφιβολία», λέει ο μαθηματικός φυσικός François Huveneers από το King’s College London.
Την τελευταία δεκαετία, οι αμφιβολίες για το MBL έχουν ενταθεί, καθώς προέκυψαν ευρήματα που αγγίζουν δύο θεμελιώδεις αντιρρήσεις για την ιδέα. Η πρώτη αφορά την κλίμακα: μπορεί να πετύχει κανείς MBL σε μια μικρή γωνιά ενός υλικού, αλλά η θερμοδυναμική ήδη επιτρέπει να παραβιάζονται οι κανόνες της σε μικρές περιοχές, όχι όμως συνολικά. Για να αψηφήσει τη θερμοδυναμική, ένα MBL θα έπρεπε να αντέξει σε μεγάλο τμήμα του υλικού, και παραμένει τεράστια η αβεβαιότητα για το αν αυτό είναι εφικτό. Η δεύτερη ένσταση αφορά τον χρόνο: μπορεί να παρατηρήσει κανείς τον εντοπισμό για 10 λεπτά, μία ώρα, μία μέρα — αλλά μπορεί να εγγυηθεί ότι δεν θα εξαφανιστεί αν τον παρακολουθούσε ένα δευτερόλεπτο παραπάνω;
Το 2018, οι De Roeck και Huveneers έκαναν μια ανακάλυψη που αφορούσε την πλευρά της κλίμακας. Για να υπάρξει MBL, η αταξία πρέπει να διαχέεται μέσα σε ένα υλικό. Όμως, όπως επισήμαναν, στην πραγματικότητα θα υπάρχουν πάντα μικρές, ασυνήθιστα τακτοποιημένες περιοχές όπου τα σωματίδια δεν παγώνουν, αλλά παραμένουν ελεύθερα να κινούνται και να ανταλλάσσουν ενέργεια. Στη συνέχεια απέδειξαν μαθηματικά ότι αυτές οι τακτοποιημένες περιοχές μπορούν να στέλνουν ενέργεια προς τις παγωμένες περιοχές, διαταράσσοντας το MBL. Το φαινόμενο αυτό θα εξαπλωνόταν γρήγορα, μέχρι να μην απομένουν πια παγωμένες κβαντικές καταστάσεις. Το ονόμασαν θερμική χιονοστιβάδα και φάνηκε να ρίχνει σοβαρές αμφιβολίες για το αν το MBL μπορεί να επιβιώσει σε πραγματικά υλικά.
Υπάρχει και το ξεχωριστό ζήτημα του χρόνου. Μπορεί να υπάρχουν μηχανισμοί που διαταράσσουν το MBL και εμφανίζονται μόνο αν τους αφήσεις αρκετά; Το 2024, οι Nicolas LaFlorencie, Fabien Alet και Jeanne Colbois από το University of Toulouse στη Γαλλία εντόπισαν ένα φαινόμενο γνωστό ως συντονισμοί, που θα μπορούσε να ταιριάζει σε αυτή την περιγραφή. Τα άτομα σε ένα υλικό με MBL συνήθως παραμένουν κλειδωμένα σε ένα συγκεκριμένο σύνολο κβαντικών ιδιοτήτων. Ακόμη κι έτσι, αυτό το κλείδωμα σπάνια είναι τέλειο — οι ιδιότητες αυτές μεταβάλλονται ελαφρά με τον χρόνο και, έτσι, το υλικό μπορεί να «πέσει» πάνω σε μια εντελώς διαφορετική διάταξη που έχει ακριβώς την ίδια ενέργεια με την αρχική. Όταν συμβεί αυτό, οι δύο καταστάσεις μπορούν να συντονιστούν ή να συγχωνευτούν και αυτή η διαδικασία μπορεί να υπονομεύσει τις καθαρές περιοχές MBL.
Θα μπορούσε να φαίνεται ότι όλα αυτά υπονομεύουν εκ βάθρων την κβαντική αιωνιότητα. Τα πειράματα των τελευταίων χρόνων, όμως, αρχίζουν να αφηγούνται μια πιο αισιόδοξη ιστορία. Μεγάλο μέρος όσων γνωρίζουν οι φυσικοί για το MBL προέρχεται από υπολογιστικά μοντέλα, αλλά αυτά μπορούν να μεγαλώσουν μόνο μέχρι ένα σημείο πριν γίνουν υπερβολικά περίπλοκα. Η προφανής λύση θα ήταν τα πραγματικά πειράματα, όμως αυτό ήταν πάντα δύσκολο. Για να δοκιμάσουν σωστά το MBL, οι φυσικοί χρειάζονται να προετοιμάσουν ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις, να τις υποβάλουν σε ακριβώς ελεγχόμενη αταξία και να παρακολουθήσουν την εξέλιξή τους χωρίς να εξαφανιστεί το φαινόμενο. Μόνο πρόσφατα τα πειράματα με υπερψυχρά άτομα, παγιδευμένα ιόντα και υπεραγώγιμα qubits, τα δομικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών, έγιναν αρκετά ακριβή για κάτι τέτοιο.
Αυτή η αλλαγή αρχίζει να αναδιαμορφώνει το πεδίο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι μια μελέτη του 2025, με επικεφαλής τον Junhyeok Hur από το Korea Advanced Institute of Science and Technology, η οποία εξέτασε το MBL σε πραγματικές διατάξεις υπερψυχρών ατόμων, με μέγεθος έως και ένα πλέγμα 24 επί 24. «Πρόκειται για πείραμα σε σύστημα με μέγεθος και χρονική κλίμακα μεγαλύτερα από όσα μπορούμε να πετύχουμε σε προσομοιώσεις», λέει ο Alet, που δεν συμμετείχε στη δουλειά. Ο Alet και ο LaFlorencie εργάζονται και οι δύο στην αιχμή των υπολογιστικών προσομοιώσεων, οι οποίες όμως αρχίζουν να δυσκολεύονται όταν φτάνουν περίπου τα δύο ντουζίνια σωματιδίων.
Χωρίς χώρο, χωρίς χρόνο, χωρίς σωματίδια: Μια ριζοσπαστική θεώρηση της κβαντικής πραγματικότητας
Ο Hur και η ομάδα του συνέκριναν δύο είδη αταξίας που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη διάταξή τους. Στο ένα, σε κάθε άτομο αποδόθηκε μια εντελώς τυχαία ενέργεια. Αυτό δημιούργησε ένα ανομοιόμορφο τοπίο: περιοχές έντονης αταξίας ανάμεσα σε ασυνήθιστα καθαρές λωρίδες, ακριβώς τα είδη σπάνιων περιοχών που θεωρούνται ότι λειτουργούν ως σπόροι θερμοποίησης. Στο άλλο, η αταξία ακολουθούσε ένα σχεδόν τυχαίο μοτίβο, δηλαδή δεν υπήρχαν καθόλου οργανωμένες περιοχές.
Καθώς η ομάδα δοκίμαζε διαρκώς μεγαλύτερες διατάξεις, η αντίθεση ανάμεσα στα δύο είδη αταξίας έγινε έντονη. Με την τυχαία αταξία, όσο μεγάλωναν τα συστήματα τόσο ισχυρότερη αταξία χρειαζόταν για να παραμείνουν εντοπισμένα — ένδειξη ότι το MBL θα εξασθενούσε αναπόφευκτα όσο τα συστήματα μεγάλωναν. Αντίθετα, για τη σχεδόν περιοδική αταξία, το κατώφλι άλλαζε ελάχιστα όσο μεγάλωναν οι προσομοιώσεις. Αυτό σημαίνει ότι η οργάνωση της αταξίας ενός υλικού θα μπορούσε να βοηθήσει στη σταθεροποίηση του MBL όσο αυξάνεται η κλίμακα, λέει ο Alet.
Ο Amos Chan από το University of Warwick, ένας από όσους συνεργάστηκαν με τον Hur στη μελέτη, λέει ότι δεν είναι ακόμη σαφές τι οδηγεί στη θερμοποίηση στην περίπτωση της τυχαίας αταξίας, αν ευθύνονται οι χιονοστιβάδες, οι συντονισμοί ή κάτι άλλο. Όμως τα νεότερα δεδομένα που έχουν μετρήσει οι ερευνητές μετά τη δημοσίευση της εργασίας τους ενισχύουν ακόμη περισσότερο την πεποίθηση ότι ο εντοπισμός μπορεί να επιμείνει σε δισδιάστατες διατάξεις, όταν η αταξία ελέγχεται προσεκτικά, λέει. Αν και δεν αποτελεί οριστική απόδειξη του MBL, δείχνει γιατί αυτή η νέα γενιά πειραματικών κβαντικών συστημάτων έχει σημασία: μπορούν να ελέγξουν αν το MBL αντέχει σε αυτό που ίσως το καταστρέψει — την κλίμακα.
Ένα δεύτερο πείραμα, που δημοσιεύτηκε λίγο μετά εκείνο του Hur και της ομάδας του από την ομάδα κβαντικών υπολογιστών της Google, εξέτασε συστήματα με έως και 70 υπεραγώγιμα qubits. Διαπίστωσαν ότι, σε μέτρια αταξία, το σύστημα κατέληγε σε μια παράξενη ενδιάμεση κατάσταση — όχι ακριβώς MBL, αλλά κάτι που αντιστεκόταν στην θερμοποίηση, γνωστό ως κβαντικό γυαλί.
Άλλοι φυσικοί εργάζονται σε μια ακόμη γραμμή επίθεσης που ίσως μας επιτρέψει τελικά να επιβεβαιώσουμε την ύπαρξη καταστάσεων MBL. Για να το καταλάβει κανείς, βοηθά να σκεφτεί πώς ορίζουμε τις καταστάσεις της ύλης. Κανείς δεν αποδεικνύει ότι ένα κομμάτι σιδήρου είναι μαγνήτης παρατηρώντας κάθε άτομό του για το υπόλοιπο της ζωής του. Αντί γι’ αυτό, κοιτάμε μια ιδιότητα των ατόμων σε ένα υλικό που ονομάζεται κβαντικό μηχανικό spin. Όταν αρκετά από αυτά τα spin ευθυγραμμιστούν, λέμε ότι το υλικό έχει αλλάξει φάση.
