Квантовая критическая точка - Quantum critical point

А квантовая критическая точка это точка в фазовая диаграмма материала, где непрерывный фаза перехода проходит в абсолютный ноль. Квантовая критическая точка обычно достигается путем непрерывного подавления фазового перехода от ненулевой температуры к нулевой температуре путем приложения давления, поля или легирования. Обычные фазовые переходы происходят при ненулевой температуре, когда рост случайных тепловые колебания приводит к изменению физического состояния системы. Физика конденсированного состояния исследования последних нескольких десятилетий выявили новый класс фазовых переходов, названный квантовые фазовые переходы^[1] которые проходят в абсолютный ноль. В отсутствие тепловых флуктуаций, которые запускают обычные фазовые переходы, квантовые фазовые переходы вызываются квантовыми флуктуациями нулевой точки, связанными с гейзенберговскими принцип неопределенности.

Обзор

Внутри класса фазовых переходов можно выделить две основные категории: фазовый переход первого рода свойства сдвигаются скачкообразно, как при плавлении твердого тела, тогда как при фазовый переход второго рода, состояние системы изменяется непрерывно. Фазовые переходы второго рода отмечены ростом флуктуаций на все больших масштабах длины. Эти колебания называются «критическими колебаниями». На критическая точка где происходит переход второго рода, критические флуктуации равны масштабный инвариант и распространяются на всю систему. При фазовом переходе с ненулевой температурой флуктуации, которые развиваются в критической точке, регулируются классической физикой, поскольку характерная энергия квантовых флуктуаций всегда меньше характерной тепловой энергии Больцмана ${\displaystyle k_{B}T}$.

В квантовой критической точке критические флуктуации имеют квантово-механическую природу, демонстрируя масштабную инвариантность как в пространстве, так и во времени. В отличие от классических критических точек, где критические флуктуации ограничиваются узкой областью вокруг фазового перехода, влияние квантовой критической точки ощущается в широком диапазоне температур выше квантовой критической точки, поэтому эффект квантовой критичности ощущается без когда-либо достигнув абсолютного нуля. Квантовая критичность впервые была обнаружена в сегнетоэлектрики, в котором температура сегнетоэлектрического перехода подавлена ​​до нуля.

Большой выбор металлических ферромагнетики и антиферромагнетики наблюдались проявления квантового критического поведения, когда их температура магнитного перехода доводится до нуля за счет приложения давления, химического легирования или магнитных полей. В этих случаях свойства металла кардинально трансформируются критическими колебаниями, качественно отклоняясь от стандартных. Ферми жидкость поведение, чтобы сформировать металлическое состояние, иногда называемое неферми жидкость или «странный металл». Особый интерес представляют эти необычные металлические состояния, которые, как полагают, демонстрируют заметный перевес в отношении развития сверхпроводимость. Также было показано, что квантовые критические флуктуации приводят к образованию экзотических магнитных фаз вблизи квантовых критических точек.^[2]

Квантовые критические конечные точки

Квантовые критические точки возникают, когда восприимчивость расходится при нулевой температуре. Есть ряд материалов (например, CeNi₂Ge₂^[3]), где это происходит случайно. Чаще материал приходится настраивать на квантовую критическую точку. Чаще всего это делается, взяв систему с фазовым переходом второго рода, который происходит при ненулевой температуре, и настроив ее, например, приложив давление или магнитное поле или изменив ее химический состав. CePd₂Si₂ такой пример,^[4] где антиферромагнитный переход, который происходит при температуре около 10 К при атмосферном давлении, может быть настроен на нулевую температуру, приложив давление 28000 атмосфер.^[5] Реже переход первого рода можно сделать квантово-критическим. Переходы первого рода обычно не показывают критических флуктуаций, поскольку материал прерывисто перемещается из одной фазы в другую. Однако, если фазовый переход первого рода не включает изменение симметрии, тогда фазовая диаграмма может содержать критическую конечную точку, в которой фазовый переход первого рода заканчивается. Такая конечная точка имеет дивергентную восприимчивость. Переход между жидкой и газовой фазами является примером перехода первого рода без изменения симметрии, а критическая конечная точка характеризуется критическими флуктуациями, известными как критическая опалесценция.

Квантовая критическая конечная точка возникает, когда критическая точка с ненулевой температурой настраивается на нулевую температуру. Один из наиболее изученных примеров - слоистый рутенатный металл Sr.₃RU₂О₇ в магнитном поле.^[6] Этот материал показывает метамагнетизм с низкотемпературным метамагнитным переходом первого рода, когда намагниченность скачкообразна при приложении магнитного поля в пределах направлений слоев. Скачок первого порядка заканчивается в критической конечной точке при температуре около 1 кельвина. Переключая направление магнитного поля так, чтобы оно было почти перпендикулярно слоям, критическая конечная точка настраивается на нулевую температуру при поле около 8 тесла. Результирующие квантовые критические флуктуации определяют физические свойства этого материала при ненулевых температурах и вдали от критического поля. Удельное сопротивление показывает неферми-жидкостный отклик, эффективная масса электрона растет и магнитотермическое расширение Материал полностью модифицируется в ответ на квантовые критические флуктуации.

Неравновесный квантовый фазовый переход

Интуитивное предположение о влиянии шума на квантовую критическую точку будет заключаться в том, что внешний шум определяет эффективная температура. Эта эффективная температура привнесла бы в проблему четко определенный энергетический масштаб и нарушила бы масштабную инвариантность квантовой критической точки. Напротив, недавно было обнаружено, что определенные типы шума могут вызывать неравновесное квантовое критическое состояние. Это состояние выходит из равновесия из-за непрерывного потока энергии, вносимого шумом, но оно все еще сохраняет масштабно-инвариантное поведение, типичное для критических точек.

Примечания

1. Сачдев, Субир (2000). Квантовые фазовые переходы.. CiteSeerX  10.1.1.673.6555. Дои:10.1017 / cbo9780511622540. ISBN  9780511622540.
2. Conduit, G.J .; Green, A.G .; Саймонс, Б. Д. (9 ноября 2009 г.). «Неоднородное фазообразование на границе странствующего ферромагнетизма». Письма с физическими проверками. 103 (20): 207201. arXiv:0906.1347. Bibcode:2009ПхРвЛ.103т7201С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.103.207201. PMID  20366005.
3. Gegenwart, P .; Kromer, F .; Lang, M .; Sparn, G .; Geibel, C .; Стеглич, Ф. (8 февраля 1999 г.). «Эффекты неферми-жидкости при атмосферном давлении в стехиометрическом соединении с тяжелыми фермионами с очень низким уровнем беспорядка: CeNi₂Ge₂". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 82 (6): 1293–1296. Дои:10.1103 / Physrevlett.82.1293. ISSN  0031-9007.
4. Джулиан, С. Р.; Pfleiderer, C; Grosche, F M; Матур, Северная Дакота; Макмаллан, Дж. Дж .; Дайвер, A J; Уокер, И. Р.; Lonzarich, GG (25 ноября 1996 г.). «Нормальные состояния магнитных d- и f-переходных металлов». Журнал физики: конденсированное вещество. IOP Publishing. 8 (48): 9675–9688. Дои:10.1088/0953-8984/8/48/002. ISSN  0953-8984.
5. Н. Д. Матур; F.M. Гроше; S.R. Джулиан; I.R. Уокер; D.M. Фрей; R.K.W. Haselwimmer; Г.Г. Лонзарич (1998). «Магнитно-опосредованная сверхпроводимость в соединениях тяжелых фермионов». Природа. 394 (6688): 39–43. Bibcode:1998Натура.394 ... 39М. Дои:10.1038/27838.
6. Григера, С. А. (12 октября 2001 г.). "Настроенная магнитным полем квантовая критичность в металлическом рутенате Sr₃RU₂О₇". Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 294 (5541): 329–332. Дои:10.1126 / science.1063539. ISSN  0036-8075.

Рекомендации

• Кирилл Домб (1996). Критическая точка: историческое введение в современную теорию критических явлений. Тейлор и Фрэнсис.
• Герц, Дж. (1976). «Квантово-критические явления». Phys. Ред. B. 14 (3): 1165–1184. Bibcode:1976ПхРвБ..14.1165Н. Дои:10.1103 / PhysRevB.14.1165.
• Континентино М.А. (2001). Квантовое масштабирование в системах многих тел. World Scientific.
• П. Коулман; А. Дж. Шофилд (2005). «Квантовая критичность». Природа. 433 (7023): 226–229. arXiv:cond-mat / 0503002. Bibcode:2005Натура 433..226С. Дои:10.1038 / природа03279. PMID  15662409.
• НАПРИМЕР. Далла Торре; и другие. (2010). «Квантовые критические состояния и фазовые переходы при наличии неравновесного шума» (Представленная рукопись). Природа Физика. 6 (10): 806–810. arXiv:0908.0868. Bibcode:2010НатФ ... 6..806Д. Дои:10.1038 / nphys1754.
• Карр, Линкольн Д. (2010). Понимание квантовых фазовых переходов. CRC Press. ISBN  978-1-4398-0251-9.

• Мариано де Соуза (2020). «Открытие физики взаимных взаимодействий в парамагнетиках». Научные отчеты. Дои:10.1038 / с41598-020-64632-х.