Kuantum faz geçişi - Quantum phase transition

Olarak fizik , bir kuantum faz geçiş ( QPT ) a, faz geçiş arasında farklı kuantum fazların ( maddenin halleri de sıfır sıcaklığında ). Klasik faz geçişlerinin aksine, kuantum faz geçişlerine, yalnızca mutlak sıfır sıcaklıkta manyetik alan veya basınç gibi fiziksel bir parametre değiştirilerek erişilebilir . Geçiş , kuantum dalgalanmaları nedeniyle çok cisimli bir sistemin temel durumundaki ani bir değişikliği tanımlar . Böyle bir kuantum faz geçişi, ikinci dereceden bir faz geçişi olabilir . Kuantum faz geçişi de temsil edilebilir topolojik fermiyon yoğunlaştırma kuantum faz geçişi, örneğin, bakınız güçlü bir korelasyon kuantum sıkma sıvı . Durumunda üç boyutlu Fermi sıvı , bu geçiş dönüştüren Fermi yüzeyi Fermi hacme. Böyle bir geçiş, iki boyutlu yapıyı ( Fermi yüzeyi ) üç boyuta dönüştürdüğü için birinci dereceden bir faz geçişi olabilir . Sonuç olarak, Fermi sıvısının topolojik yükü , ayrı bir dizi değerden yalnızca birini aldığı için aniden değişir.

Klasik açıklama

Kuantum faz geçişlerini anlamak için bunları klasik faz geçişleriyle (CPT) (termal faz geçişleri olarak da adlandırılır) karşılaştırmak yararlıdır . Bir CPT, bir sistemin termodinamik özelliklerinde bir zirveyi tanımlar. Parçacıkların yeniden düzenlenmesini işaret eder; Tipik bir örnek, sıvı ve katı arasındaki geçişi tanımlayan suyun donma geçişidir. Klasik faz geçişleri, bir sistemin enerjisi ile termal dalgalanmalarının entropisi arasındaki bir rekabet tarafından yönlendirilir . Klasik bir sistem sıfır sıcaklıkta entropiye sahip değildir ve bu nedenle faz geçişi gerçekleşemez. Sıraları, bir termodinamik potansiyelin ilk süreksiz türevi tarafından belirlenir. Örneğin sudan buza bir faz geçişi, gizli ısıyı ( iç enerjinin süreksizliği ) içerir ve birinci derecedendir. Bir tarama tablosundan alınan faz geçiş ferromagnet a paramanyet süreklidir ve ikinci derece. ( Ehrenfest'in faz geçişlerini geçişte süreksiz olan serbest enerjinin türevine göre sınıflandırması için faz geçişine bakın ). Düzenli bir fazdan düzensiz bir faza bu sürekli geçişler, düzensiz fazda sıfır ve düzenli fazda sıfır olmayan bir sıra parametresi ile tanımlanır. Yukarıda bahsedilen ferromanyetik geçiş için, sıra parametresi sistemin toplam manyetizasyonunu temsil edecektir. ${\görüntüleme stili U}$

Düzen parametresinin termodinamik ortalaması düzensiz durumda sıfır olmasına rağmen, dalgalanmaları sıfır olmayabilir ve tipik uzunluk ölçeği ξ (korelasyon uzunluğu) ve tipik dalgalanma bozulma zaman ölçeği τ olan kritik nokta civarında uzun menzilli hale gelebilir. _c (korelasyon süresi) sapma:

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

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

nerede

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

Kritik sıcaklık göreli sapma olarak tanımlanır t _c . Biz diyoruz ν ( korelasyon uzunluğu ) kritik üs ve z dinamik kritik üs . Sıfır olmayan sıcaklık faz geçişlerinin kritik davranışı, klasik termodinamik tarafından tam olarak tanımlanmıştır ; Kuantum mekaniği , gerçek fazlar bir kuantum mekaniği tanımlaması gerektirse bile (örneğin süperiletkenlik ) herhangi bir rol oynamaz .

Kuantum açıklaması

Kuantum kritik nokta (QCP) ve kuantum faz geçişlerini gösteren sıcaklık (T) ve basınç (p) diyagramı.

Bahsedersek kuantum en geçişler söz faz geçişleri vasıtasıyla T = 0: basınç, kimyasal bileşim veya manyetik alan gibi olmayan bir sıcaklık parametresine ayarlanması sureti ile, tek bir örneğin 0 K. Curie veya Neel sıcaklık gibi bazı geçiş sıcaklığı baskılayabilir

Sıfır sıcaklıkta dengede olan bir sistem her zaman en düşük enerji durumunda (veya en düşük enerji dejenere ise eşit ağırlıklı bir süperpozisyon) olduğundan, bir QPT termal dalgalanmalarla açıklanamaz . Bunun yerine, kuantum dalgalanmalar , doğan Heisenberg'in belirsizlik ilkesinin , kaybını sürücü sırası bir QPT karakteristiği. QPT , geçişi yönlendiren kuantum dalgalanmalarının birbirinden ayrıldığı ve uzay ve zamanda ölçekte değişmez hale geldiği kuantum kritik noktasında (QCP) meydana gelir .

Mutlak sıfır fiziksel olarak gerçekleştirilemese de, geçişin özellikleri, kritik noktanın yakınında sistemin düşük sıcaklık davranışında tespit edilebilir. Sıfırdan farklı sıcaklıklarda, enerji ölçeği k _B T olan klasik dalgalanmalar, enerji ölçeğinin ħω kuantum dalgalanmalarıyla rekabet eder . Burada ω , kuantum salınımının karakteristik frekansıdır ve korelasyon süresi ile ters orantılıdır. Kuantum dalgalanmaları , kuantum kritik bölge olarak bilinen ħω > k _B T'nin bulunduğu bölgede sistemin davranışına hakimdir . Bu kuantum kritik davranış, yeni Fermi olmayan sıvı fazlar gibi alışılmadık ve beklenmedik fiziksel davranışlarda kendini gösterir. Teorik bir bakış açısından, sağda gösterilene benzer bir faz diyagramı beklenir: QPT, sıralı bir fazı düzensiz bir fazdan ayırır (genellikle, düşük sıcaklıktaki düzensiz faza "kuantum" düzensizliği denir).

Yeterince yüksek sıcaklıklarda sistem düzensiz ve tamamen klasiktir. Klasik faz geçişi etrafında sistem, klasik termal dalgalanmalar (açık mavi alan) tarafından yönetilir. Bu bölge azalan enerjilerle daralır ve kuantum kritik noktaya (QCP) doğru yakınsar. Deneysel olarak, hala kuantum dalgalanmaları tarafından yönetilen 'kuantum kritik' aşaması en ilginç olanıdır.

Ayrıca bakınız

• Süperiletken Yalıtkan Geçişi
• kuantum evreleri
• Kuantum kritik noktası

Referanslar

• Sachdev, Subir (2011). Kuantum Faz Geçişleri . Cambridge Üniversitesi Yayınları. (2. baskı). ISBN'si 978-0-521-51468-2.
• Carr, Lincoln D. (2010). Kuantum Faz Geçişlerini Anlamak . CRC Basın. ISBN'si 978-1-4398-0251-9.
• Vojta, Thomas (2000). "Elektronik sistemlerde kuantum faz geçişleri". Annalen der Fizik. arXiv : koşul-mat/9910514 . Bibcode : 2000AnP...512..403V . doi : 10.1002/1521-3889(200006)9:6<403::AID-ANDP403>3.0.CO;2-R .
• de Souza, Mariano (2020). "Paramagnetlerde Karşılıklı Etkileşimlerin Fiziğinin Ortaya Çıkarılması". Bilimsel Raporlar. doi : 10.1038/s41598-020-64632-x .