Квантовый фазовый переход - Quantum phase transition

В физика, а квантовый фазовый переход (QPT) это фаза перехода между разными квантовые фазы (фазы материи в нулевая температура ). В отличие от классических фазовых переходов, к квантовым фазовым переходам можно получить доступ только путем изменения физического параметра, например магнитное поле или давление - при полный ноль температура. Переход описывает резкое изменение основное состояние системы многих тел из-за ее квантовых флуктуаций. Такой квантовый фазовый переход может быть фазовый переход второго рода.^[1] Квантовый фазовый переход также можно представить в виде топологический фермионная конденсация квантовый фазовый переход см. например сильно коррелированная квантовая спиновая жидкость. В случае трехмерный Ферми жидкость этот переход преобразует Поверхность Ферми в том Ферми. Такой переход может быть фазовый переход первого рода, поскольку он преобразует двумерный структура (Поверхность Ферми ) в трехмерный. В результате топологический заряд Ферми-жидкости изменяется скачкообразно, так как принимает только одно из дискретного набора значений.

Классическое описание

Чтобы понять квантовые фазовые переходы, полезно сравнить их с классические фазовые переходы (CPT) (также называемые тепловыми фазовыми переходами).^[2] CPT описывает резкий скачок в термодинамических свойствах системы. Это сигнализирует о реорганизации частиц; Типичным примером является замораживание переход воды, описывающий переход между жидкостью и твердым телом. Классические фазовые переходы вызваны конкуренцией между энергия системы и энтропия его тепловых колебаний. Классическая система не имеет энтропии при нулевой температуре, и поэтому фазовый переход не может происходить. Их порядок определяется первой разрывной производной термодинамического потенциала. Фазовый переход от воды к льду, например, включает скрытую теплоту (разрыв внутренняя энергия ${\displaystyle U}$) и имеет первый порядок. Фазовый переход от ферромагнетик к парамагнетик непрерывна и имеет второй порядок. (Увидеть фаза перехода для классификации фазовых переходов Эренфеста по производной свободной энергии, разрывной при переходе). Эти непрерывные переходы из упорядоченной в неупорядоченную фазу описываются параметром порядка, который равен нулю в неупорядоченной фазе и отличен от нуля в упорядоченной фазе. Для вышеупомянутого ферромагнитного перехода параметр порядка будет представлять полную намагниченность системы.

Хотя термодинамическое среднее параметра порядка равно нулю в неупорядоченном состоянии, его флуктуации могут отличаться от нуля и становиться дальнодействующими вблизи критической точки, где их типичный масштаб длины ξ (длина корреляции) и типичная шкала времени затухания флуктуаций τ_c (время корреляции) расходятся:

${\displaystyle \xi \propto |\epsilon |^{-\nu }\,\,=\left({\frac {|T-T_{c}|}{T_{c}}}\right)^{-\nu }}$

${\displaystyle \tau _{c}\propto \xi ^{z}\propto |\epsilon |^{-\nu z},}$

где

${\displaystyle \epsilon ={\frac {T-T_{c}}{T_{c}}}}$

определяется как относительное отклонение от критической температуры Т_c. Мы называем ν (длина корреляции ) критический показатель и z то динамический критический показатель. Критическое поведение фазовых переходов при ненулевой температуре полностью описывается формулой классическая термодинамика; квантовая механика не играет никакой роли, даже если фактические фазы требуют квантово-механического описания (например, сверхпроводимость ).

Квантовое описание

Диаграмма температуры (T) и давления (p), показывающая квантовую критическую точку (QCP) и квантовые фазовые переходы.

Говоря о квант фазовые переходы означает говорить о переходах на Т = 0: настраивая нетемпературный параметр, такой как давление, химический состав или магнитное поле, можно подавить, например, некоторая температура перехода, такая как температура Кюри или Нееля, к 0 К.

Поскольку система, находящаяся в равновесии при нулевой температуре, всегда находится в состоянии с наименьшей энергией, QPT не может быть объяснен тепловые колебания. Вместо, квантовые флуктуации, вытекающие из Принцип неопределенности Гейзенберга, вести потерю порядок характеристика QPT. QPT происходит в квантовая критическая точка (QCP), где квантовые флуктуации, вызывающие переход, расходятся и становятся масштабно-инвариантными в пространстве и времени.

Хотя абсолютный ноль физически не реализуем, характеристики перехода можно обнаружить в низкотемпературном поведении системы вблизи критической точки. При ненулевых температурах классические флуктуации с энергетическим масштабом k_BТ конкурировать с квантовыми флуктуациями энергетического масштаба ħω. Вот ω - характерная частота квантового колебания и обратно пропорциональна времени корреляции. Квантовые флуктуации доминируют в поведении системы в области, где ħω > k_BТ, известная как квантовая критическая область. Это квантовое критическое поведение проявляется в нетрадиционном и неожиданном физическом поведении, например в новых неферми-жидких фазах. С теоретической точки зрения ожидается появление диаграммы состояния, подобной показанной справа: QPT отделяет упорядоченную фазу от неупорядоченной (часто низкотемпературная неупорядоченная фаза называется «квантовой» неупорядоченной).

При достаточно высоких температурах система является неупорядоченной и чисто классической. Вокруг классического фазового перехода системой управляют классические тепловые флуктуации (голубая область). Эта область сужается с уменьшением энергии и сходится к квантовой критической точке (ККП). С экспериментальной точки зрения наиболее интересна «квантовая критическая» фаза, которая все еще определяется квантовыми флуктуациями.

Смотрите также

• Переход сверхпроводящего изолятора
• Квантовые фазы
• Квантовая критическая точка

использованная литература

1. Джегер, Грегг (1 мая 1998 г.). «Классификация фазовых переходов Эренфеста: введение и эволюция». Архив истории точных наук. 53 (1): 51–81. Дои:10.1007 / s004070050021. S2CID  121525126.
2. Джегер, Грегг (1 мая 1998 г.). «Классификация фазовых переходов Эренфеста: введение и эволюция». Архив истории точных наук. 53 (1): 51–81. Дои:10.1007 / s004070050021. S2CID  121525126.

• Сачдев, Субир (2011). Квантовые фазовые переходы.. Издательство Кембриджского университета. (2-е изд.). ISBN  978-0-521-51468-2.
• Карр, Линкольн Д. (2010). Понимание квантовых фазовых переходов. CRC Press. ISBN  978-1-4398-0251-9.
• Войта, Томас (2000). «Квантовые фазовые переходы в электронных системах». Annalen der Physik. arXiv:cond-mat / 9910514. Bibcode:2000АнП ... 512..403В. Дои:10.1002 / 1521-3889 (200006) 9: 6 <403 :: AID-ANDP403> 3.0.CO; 2-R.
• де Соуза, Мариано (2020). «Открытие физики взаимных взаимодействий в парамагнетиках». Научные отчеты. Дои:10.1038 / с41598-020-64632-х.