---
title: "Магнитный порядок оказался устойчив даже без энергетической защиты"
description: "Физики доказали, что магнитный порядок способен выдерживать слабые квантовые флуктуации даже без энергетической щели. Новый квантовый вариант аргумента Пайерлса меняет подход к бесщелевым фазам."
datePublished: "2026-09-29T08:36:08+00:00"
lastmod: "2026-09-29T08:41:44+00:00"
author: "Андрей Воробьев"
category: "Технологии"
image: "https://hanga.su/images/img_26/bbaecd45-e876-4c87-97d8-54c3fbe6b45f.jpg"
slug: "magnitnyj-poryadok-okazalsya-ustojchiv-dazhe-bez-energeticheskoj-zashchity"
---

# Магнитный порядок оказался устойчив даже без энергетической защиты

![Физики доказали, что магнитный порядок может сохраняться даже в бесщелевой квантовой системе, где существуют возбуждения со сколь угодно малой энергией.](https://hanga.su/images/img_26/bbaecd45-e876-4c87-97d8-54c3fbe6b45f.jpg "Магнитный порядок выдержит квантовые флуктуации")

Почему магнит вообще остаётся магнитом? На бытовом уровне вопрос кажется странным: если материал намагничен, значит его внутренние магнитные моменты каким-то образом сохраняют общий порядок. Но в квантовом мире состояние вещества непрерывно испытывает флуктуации, способные переворачивать отдельные спины и создавать локальный беспорядок. Физики давно умеют строго доказывать устойчивость некоторых упорядоченных квантовых состояний, однако такие доказательства обычно опираются на своеобразный энергетический барьер. Новая работа показывает, что магнитный порядок может выжить даже там, где этой привычной защиты нет.

Для понимания результата удобно начать с модели Изинга — одного из простейших математических описаний магнетизма. Представим двумерную решётку, в каждой точке которой находится спин, условно направленный вверх или вниз. Соседним спинам энергетически выгодно ориентироваться одинаково, поэтому в наиболее упорядоченном состоянии почти все они выбирают одно направление. При этом сами законы системы не требуют именно «вверх» или именно «вниз»: оба варианта равноправны, а выбор одного из них называют спонтанным нарушением симметрии.

Проблемы начинаются, когда внутри такого упорядоченного моря появляется область с противоположной ориентацией. Граница между двумя областями называется доменной стенкой. Чем длиннее эта граница, тем больше соседних связей оказывается нарушено и тем выше энергетическая цена дефекта. В 1936 году Рудольф Пайерлс использовал именно это обстоятельство для знаменитого доказательства устойчивости двумерной классической модели Изинга: большие доменные стенки можно построить огромным количеством способов, но при низкой температуре энергетическая цена растёт настолько быстро, что вероятность возникновения стены через всю систему становится ничтожной.

В квантовой физике появляется дополнительная трудность. Спины могут флуктуировать не только из-за температуры, но и вследствие самого квантового характера системы. Для доказательства устойчивости фаз физики обычно используют энергетическую щель — минимальную порцию энергии, которую необходимо сообщить системе, чтобы вывести её из основного состояния. Такая щель действует как ров вокруг крепости: слабое воздействие просто не располагает достаточной энергией, чтобы создать опасное возбуждение.

Но далеко не вся материя устроена настолько удобно. У жидкостей и твёрдых тел существуют низкоэнергетические звуковые возбуждения, а в других квантовых системах энергия возбуждений тоже может становиться сколь угодно малой. Такие состояния называют бесщелевыми. Отсутствие щели не обязательно означает неустойчивость вещества, но лишает математиков одного из самых мощных инструментов доказательства того, что небольшое изменение условий не разрушит фазу.

Исследователи рассмотрели особенно неудобный пример — двумерную модель Изинга со случайными связями. Большинство взаимодействий между соседними спинами здесь по-прежнему способствует их выравниванию, но некоторые случайным образом предпочитают противоположную ориентацию. В результате возникают кластеры, которые можно перевернуть почти без энергетических затрат. Система оказывается бесщелевой: существуют возбуждения со сколь угодно малой энергией, хотя в целом магнит всё ещё может предпочитать общую ориентацию.

Именно здесь авторы изменили постановку задачи. Чтобы сохранить магнитный порядок, вовсе не обязательно запрещать каждое дешёвое локальное возбуждение. Маленький кластер спинов может сколько угодно переворачиваться почти бесплатно, если он не способен разделить весь магнит на две макроскопические области. Опасны не все флуктуации, а те, которые создают доменную стенку, протянувшуюся через систему.

Так появился квантовый аналог условия Пайерлса. Исследователи потребовали, чтобы любое квантовое состояние с доменной стенкой, пересекающей всю систему, оставалось высокоэнергетическим. Тогда низкоэнергетические состояния могут содержать множество локальных переворотов и даже обеспечивать отсутствие энергетической щели, но не способны создать макроскопическую границу, необходимую для уничтожения магнитного порядка.

Можно представить огромную мозаику, отдельные фрагменты которой постоянно меняются местами, тогда как общий рисунок остаётся узнаваемым. Квантовые флуктуации действительно создают локальный беспорядок, однако для разрушения всего изображения необходимо организовать множество небольших изменений в один протяжённый дефект. А это оказывается гораздо труднее, чем просто перевернуть несколько спинов.

Математически авторы отсортировали квантовое состояние по количеству нарушенных связей вдоль длинной петли. Слабое локальное возмущение, например поперечное магнитное поле, способно переворачивать лишь небольшое число спинов одновременно. Поэтому огромная доменная стенка не возникает одним движением: её приходится строить постепенно, шаг за шагом, и каждый этап имеет энергетическую цену. Вероятность завершить такую стену экспоненциально уменьшается с её длиной, причём это подавление оказывается сильнее роста количества возможных форм стенки.

Результат оказался принципиальным: если случайные взаимодействия достаточно сильно смещены в сторону ферромагнитного выравнивания, слабые локальные квантовые возмущения не уничтожают спонтанное нарушение симметрии. Низкоэнергетические кластеры продолжают переворачиваться, энергетической щели по-прежнему нет, но система в целом остаётся магнитно упорядоченной. Иначе говоря, отсутствие энергетической щели само по себе не делает фазу хрупкой.

Это важно далеко за пределами конкретной модели магнита. Современная физика хорошо классифицирует многие квантовые фазы с энергетической щелью, тогда как бесщелевые состояния значительно сложнее. Если удастся разработать столь же строгие критерии их устойчивости, физики смогут точнее ответить на фундаментальный вопрос: когда две системы действительно представляют одну фазу вещества, а когда между ними существует скрытое физическое различие?

Но новый метод пока имеет существенное ограничение. Он работает благодаря пространственной локализации низкоэнергетических кластеров. Возбуждения, свободно распространяющиеся через всю систему, например звуковые волны или фотоны, устроены иначе и данным доказательством не охватываются. Поэтому следующим большим шагом станет попытка распространить подобные идеи на жидкости и калибровочные теории с распространяющимися бесщелевыми частицами.

Главная идея исследования при этом удивительно наглядна. Устойчивость порядка не требует абсолютной неподвижности его элементов. Магнит может позволить квантовому миру постоянно создавать небольшие островки беспорядка и всё же сохранять макроскопическую структуру. Иногда для стабильности достаточно не запретить каждую флуктуацию, а сделать практически невозможным их объединение в дефект, достаточно большой, чтобы изменить состояние всей системы.

**Ссылка:** «Устойчивое нарушение симметрии в бесщелевых квантовых магнитах» [DOI: 10.1103/5ntb-ggcz.](https://dx.doi.org/10.1103/5ntb-ggcz)