Математическое доказательство связало два загадочных явления в физике спиновых стекол

Ученые из Токийского научного института и Университета Тохоку впервые математически доказали фундаментальную связь между двумя необычными явлениями в спиновых стеклах — реентерацией и температурным хаосом. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review E 22 октября 2025 года.

Спиновые стекла — это магнитные материалы, в которых атомные «спины» (магнитные моменты) ориентированы случайным образом, а не упорядоченно, как в обычном магните. Это состояние «заморозленной случайности» приводит к необычным физическим свойствам.

Для описания поведения спиновых стекол физики используют модель Эдвардса–Андерсона. В рамках этой модели были обнаружены два контринтуитивных явления:

• Реентерация — процесс, при котором понижение температуры делает систему менее упорядоченной, что противоположно обычным ожиданиям.
• Температурный хаос — явление, когда даже крошечное изменение температуры полностью перестраивает внутреннюю спиновую структуру материала.

Команда под руководством профессора Хидэтоси Нисимори доказала, что существование реентерации в модели Эдвардса–Андерсона математически влечет за собой наличие температурного хаоса. Исследователи расширили теоретические рамки, введя корреляции в переменные беспорядка, что позволило контролировать уровень фрустрации — ключевую особенность неупорядоченных систем.

«Наше исследование устанавливает нетривиальную математическую связь между двумя, казалось бы, не связанными физическими явлениями, наблюдаемыми в разных областях фазовой диаграммы», — объясняет Нисимори.

Ученые также показали, что если предположить нарушение репликационной симметрии в модели, то распределение намагниченности точно соответствует распределению перекрытия реплик на линии Нисимори. Это открытие предполагает, что макроскопические величины, такие как намагниченность, могут флуктуировать между измерениями, подчеркивая глубокое влияние беспорядка и корреляции на коллективное поведение системы.

Используя симметрийный подход, исследователи смогли доказать эту связь с помощью относительно простой математики. Их работа открывает новые пути для понимания того, как сложное поведение возникает в неупорядоченных системах.

«Понимание спиновых стекол выходит за рамки изучения магнитов: концепции беспорядка, фрустрации и сложных энергетических ландшафтов играют критически важную роль в таких областях, как материаловедение, байесовский вывод, задачи оптимизации и коррекция ошибок в квантовых вычислениях», — добавляет Нисимори.

Это открытие не только углубляет теоретическое понимание спиновых стекол, но и имеет потенциальные приложения в машинном обучении и квантовых технологиях, где контроль ошибок и беспорядка имеет ключевое значение.