Если графеновые хлопья поместить в сильное магнитное поле, то можно получить квантовую голограмму, по многим свойствам напоминающую черную дыру. Это происходит благодаря уникальной электронной структуре графена, из-за которой заряженные частицы ведут себя согласно модели Сачдева — Йе — Китаева (Sachdev — Ye — Kitaev, SYK). Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Основная проблема в современной теоретической физике состоит в том, что общая теория относительности и квантовая механика несовместимы, из-за чего ученые до сих пор не смогли построить теорию квантовой гравитации.

«В последние годы физики начали получать новую важную информацию по этим вопросам, изучая SYK-модель, — говорит ведущий автор работы Марсель Франц из Университета Британской Колумбии (Канада). — Эта модель — пример так называемой «голографической дуальности», которая позволяет сопоставить системы с различным количеством измерений. В наших вычислениях систему низкой размерности представляют N электронов в графене, а систему с высокой — гравитация черной дыры в пространстве анти-де Ситтера».

В частности, для больших значений N такая модель с высокой точностью описывает такие свойства черных дыр как ненулевая остаточная энтропия и быстрое преобразование квантовой информации в сингулярности в центре черной дыры.

Для экспериментов новая модель черной дыры должна быть достаточно проста — она состоит из небольшой графеновой чешуйки с неровным краем, который нужен для того, чтобы вносить случайность во взаимодействие электронов. Если достаточно маленькую чешуйку (размером 100–200 нанометров) поместить в магнитное поле, то оно изменит уровни энергии электронов и при достаточно высокой интенсивности заставит их вести себя согласно SYK-модели.

Голографическая двойственность между графеном и черной дырой. Chen et al.

Сейчас коллектив из Израиля, Великобритании и США изучает поведение электронов в режиме SYK-модели более детально.

«Мы надеемся, что наша теоретическая работа мотивирует экспериментаторов изучать графеновые чешуйки определенного типа, которые реализуют физику SYK-модели», — подытоживает Франц.

В конечном счете физики попробуют ответить на фундаментальный вопрос о том, как связаны квантовая механика и гравитация.