Kwantowe przejście fazowe - Quantum phase transition
W fizyki , A przejścia fazowego kwantowej ( QPT ) to przejście fazowe różnych faz kwantowej ( faz materii w temperaturze zera ). W przeciwieństwie do klasycznych przejść fazowych, dostęp do kwantowych przejść fazowych można uzyskać jedynie poprzez zmianę parametru fizycznego — takiego jak pole magnetyczne lub ciśnienie — w temperaturze zera absolutnego . Przejście opisuje nagłą zmianę stanu podstawowego układu wielociałowego z powodu jego fluktuacji kwantowych. Takie kwantowe przejście fazowe może być przejściem fazowym drugiego rzędu . Kwantowe przejście fazowe może być również reprezentowane przez topologiczne kwantowe przejście fazowe kondensacji fermionów, patrz np. silnie skorelowana ciecz o spinach kwantowych . W przypadku trójwymiarowej cieczy Fermiego przejście to przekształca powierzchnię Fermiego w objętość Fermiego. Takie przejście może być przejściem fazowym pierwszego rzędu , ponieważ przekształca strukturę dwuwymiarową ( powierzchnia Fermiego ) w trójwymiarową . W rezultacie ładunek topologiczny cieczy Fermiego zmienia się gwałtownie, ponieważ przyjmuje tylko jedną z dyskretnego zestawu wartości.
Klasyczny opis
Aby zrozumieć kwantowe przejścia fazowe, warto porównać je z klasycznymi przejściami fazowymi (CPT) (zwanymi również termicznymi przejściami fazowymi). CPT opisuje przełom we właściwościach termodynamicznych systemu. Sygnalizuje reorganizację cząstek; Typowym przykładem jest przemiana zamarzania wody opisująca przejście od cieczy do ciała stałego. Klasyczne przejścia fazowe są napędzane przez konkurencję między energią układu a entropią jego fluktuacji termicznych. Klasyczny układ nie ma entropii w temperaturze zerowej i dlatego nie może zajść żadne przejście fazowe. Ich kolejność jest określona przez pierwszą nieciągłą pochodną potencjału termodynamicznego. Na przykład przejście fazowe z wody do lodu obejmuje ciepło utajone (nieciągłość energii wewnętrznej ) i jest pierwszego rzędu. Przejście fazowe z ferromagnetyka do paramagnesu jest ciągłe i jest drugiego rzędu. (Patrz przejście fazowe dla klasyfikacji Ehrenfesta przejść fazowych przez pochodną energii swobodnej, która jest nieciągła na przejściu). Te ciągłe przejścia od fazy uporządkowanej do nieuporządkowanej są opisane przez parametr uporządkowania, który wynosi zero w fazie nieuporządkowanej i niezerowe w fazie uporządkowanej. Dla wspomnianego przejścia ferromagnetycznego parametr porządkowy reprezentowałby całkowite namagnesowanie układu.
Chociaż średnia termodynamiczna parametru porządku wynosi zero w stanie nieuporządkowanym, to jej fluktuacje mogą być niezerowe i przybierać dalekosiężne w pobliżu punktu krytycznego, gdzie ich typowa skala długości ξ (długość korelacji) i typowa skala czasu zaniku wahań τ c (czas korelacji) rozbieżne:
gdzie
definiuje się jako względne odchylenie od temperatury krytycznej T c . Nazywamy ν na ( długość korelacji ) wykładnik krytyczny i Z dynamiczny wykładnik krytyczny . Krytyczne zachowanie niezerowych temperaturowych przejść fazowych jest w pełni opisane przez klasyczną termodynamikę ; mechanika kwantowa nie odgrywa żadnej roli, nawet jeśli rzeczywiste fazy wymagają opisu mechaniki kwantowej (np. nadprzewodnictwo ).
Opis kwantowy
Mówienie o kwantowych przejściach fazowych oznacza mówienie o przejściach przy T =0: dostrajając parametr nietemperaturowy, taki jak ciśnienie, skład chemiczny czy pole magnetyczne, można by np. stłumić jakąś temperaturę przejścia, taką jak temperatura Curie lub Neela, do 0 K.
Ponieważ układ w równowadze w temperaturze zerowej jest zawsze w stanie najniższej energii (lub równoważonej superpozycji, jeśli najniższa energia jest zdegenerowana), QPT nie można wytłumaczyć fluktuacjami termicznymi . Zamiast tego fluktuacje kwantowe , wynikające z zasady nieoznaczoności Heisenberga , prowadzą do utraty porządku charakterystycznego dla QPT. QPT występuje w kwantowym punkcie krytycznym (QCP), gdzie fluktuacje kwantowe napędzające przejście rozchodzą się i stają się niezmiennikami skali w przestrzeni i czasie.
Chociaż zero absolutne nie jest fizycznie możliwe do zrealizowania, charakterystykę przejścia można wykryć w zachowaniu systemu w niskiej temperaturze w pobliżu punktu krytycznego. W niezerowych temperaturach, klasycznych z wahaniami w skali energetycznej k B T konkurować z fluktuacji kwantowych skalę energii ħω. Tutaj ω jest charakterystyczną częstotliwością oscylacji kwantowej i jest odwrotnie proporcjonalna do czasu korelacji. Fluktuacje kwantowe dominują zachowania systemu w regionie, w którym ħω > k B T , znany jako obszar krytyczny kwantowej. To krytyczne zachowanie kwantowe przejawia się w niekonwencjonalnych i nieoczekiwanych zachowaniach fizycznych, takich jak nowe fazy ciekłe inne niż Fermi. Z teoretycznego punktu widzenia oczekuje się diagramu fazowego takiego jak ten pokazany po prawej stronie: QPT oddziela fazę uporządkowaną od nieuporządkowanej (często faza nieuporządkowana w niskiej temperaturze jest określana jako nieuporządkowana „kwantowa”).
Przy wystarczająco wysokich temperaturach system jest nieuporządkowany i czysto klasyczny. Wokół klasycznego przejścia fazowego system podlega klasycznym fluktuacjom termicznym (obszar jasnoniebieski). Obszar ten staje się węższy wraz ze spadkiem energii i zbiega się w kierunku kwantowego punktu krytycznego (QCP). Eksperymentalnie najbardziej interesująca jest faza "krytyczna kwantowa", która wciąż rządzi się fluktuacjami kwantowymi.
Zobacz też
Bibliografia
- Sachdewa, Subir (2011). Kwantowe przejścia fazowe . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. (wyd. 2). Numer ISBN 978-0-521-51468-2.
- Carr, Lincoln D. (2010). Zrozumienie przejść faz kwantowych . CRC Prasa. Numer ISBN 978-1-4398-0251-9.
- Vojta, Tomasz (2000). „Przejścia fazowe kwantowe w układach elektronicznych”. Annalen der Physik. arXiv : cond-mat/9910514 . Kod bib : 2000AnP...512..403V . doi : 10.1002/1521-3889(200006)9:6<403::AID-ANDP403>3.0.CO;2-R .
- de Souza, Mariano (2020). „Odsłonięcie fizyki wzajemnych oddziaływań w paramagnetach”. Raporty naukowe. doi : 10.1038/s41598-020-64632-x .