Кіріспе
Физикада кванттық фазалық ауысу (ҚФА) – әр түрлі кванттық фазалардың (нөлдік температурадағы материя фазаларының) арасындағы фазалық ауысу. Классикалық фазалық ауысулардан өзгеше, кванттық фазалық ауысуларға тек физикалық параметрді – мысалы, магниттік өріс немесе қысымды – абсолюттік нөлдік температурада өзгерту арқылы қол жеткізіледі. Бұл ауысу кванттық флуктуациялардың салдарынан көп денелер жүйесінің негізгі күйіндегі кенеттен болатын өзгерісті сипаттайды. Мұндай кванттық фазалық ауысу екінші реттік фазалық ауысу болуы мүмкін. Кванттық фазалық ауысулар топологиялық фермиондық конденсация кванттық фазалық ауысу арқылы да көрсетілуі мүмкін, мысалы, күшті байланысты кванттық спин сұйықтығы сияқты. Үш өлшемді Ферми сұйықтығының жағдайында бұл ауысу Ферми бетін Ферми көлеміне айналдырады. Мұндай ауысу бірінші реттік фазалық ауысу болуы мүмкін, себебі ол екі өлшемді құрылымды (Ферми бетін) үш өлшемдіге айналдырады. Нәтижесінде Ферми сұйықтығының топологиялық заряды кенеттен өзгереді, өйткені ол дискретті мәндер жиынтығынан тек бір мәнді қабылдайды.
In physics, a quantum phase transition (QPT) is a phase transition between different quantum phases (phases of matter at zero temperature). Contrary to classical phase transitions, quantum phase transitions can only be accessed by varying a physical parameter—such as magnetic field or pressure—at absolute zero temperature. The transition describes an abrupt change in the ground state of a many body system due to its quantum fluctuations. Such a quantum phase transition can be a second order phase transition. Quantum phase transitions can also be represented by the topological fermion condensation quantum phase transition, see e. g. strongly correlated quantum spin liquid. In case of three dimensional Fermi liquid, this transition transforms the Fermi surface into a Fermi volume. Such a transition can be a first order phase transition, for it transforms two dimensional structure (Fermi surface) into three dimensional. As a result, the topological charge of Fermi liquid changes abruptly, since it takes only one of a discrete set of values.
Кванттық сипаттама
Кванттық фазалық ауысулар туралы сөз қозғағанда, T = 0 температурасындағы ауысулар туралы сөз қозғаймыз: қысым, химиялық құрам немесе магниттік өріс сияқты температураға байланыссыз параметрді реттеу арқылы, мысалы, Кюри немесе Нель температурасы сияқты бір ауысу температурасын 0 К-қа дейін төмендетуге болады.
Тепе-теңдік күйіндегі нөлдік температурадағы жүйе әрқашан ең төменгі энергия күйінде (немесе ең төменгі энергия дегенерацияланған жағдайда тең салмақтағы суперпозицияда) болады, сондықтан QPT-ны жылулық флуктуациялармен түсіндіруге болмайды. Керісінше, Гейзенбергтің белгісіздік принципінен туындаған кванттық флуктуациялар QPT-ға тән реттің жоғалуын қамтамасыз етеді. QPT кванттық сындық нүктеде (QCN) пайда болады, онда ауысуды қозғалысқа келтіретін кванттық флуктуациялар шексіз болады және кеңістік пен уақыт бойынша масштабты инвариантқа айналады. Абсолюттік нөл физикалық жағынан жүзеге асырылмаса да, жүйедегі төмен температуралық мінез-құлқында ауысудың сипаттамаларын анықтауға болады. Нөлдік емес температурада kBT энергия шкаласына ие классикалық флуктуациялар ħω энергия шкаласының кванттық флуктуацияларымен бәсекелеседі. Мұнда ω – кванттық осцилляцияның сипаттамалық жиілігі және корреляциялық уақытқа кері пропорционал. Кванттық флуктуациялар ħω > kBT шарты орындалғанда, «кванттық сындық аймақ» деп аталатын аймақта жүйенің мінез-құлқын басып озады. Кванттық сындық мінез-құлық жаңа Ферми емес сұйық фазалар сияқты бұрын-соңды болмаған және күтпеген физикалық мінез-құлықтармен көрінеді. Теориялық тұрғыдан алғанда, оң жақта көрсетілгендей фазалық диаграмма күтіледі: QPT реттелген фазаны ретсіз фазадан бөледі (көбінесе төмен температурадағы ретсіз фаза «кванттық» ретсіз деп аталады). Жоғары температурада жүйе ретсіз және толығымен классикалық болады. Классикалық фазалық ауысудың маңында жүйе классикалық жылулық флуктуациялармен басқарылады (ақшыл көк аймақ). Бұл аймақ энергия төмендеген сайын тарлып, кванттық сындық нүктеге (QCN) жақындайды. Эксперименттік тұрғыдан алғанда, кванттық флуктуациялармен басқарылатын «кванттық сындық» фаза ең қызықты болып табылады.
become scale invariant in space and time. Although absolute zero is not physically realizable, characteristics of the transition can be detected in the system's low temperature behavior near the critical point. At nonzero temperatures, classical
fluctuations with an energy scale of kBT compete with the quantum fluctuations of energy scale ħω. Here ω is the characteristic frequency of the quantum oscillation and is inversely proportional to the correlation time. Quantum fluctuations dominate the system's behavior in the region where ħω > kBT, known as the quantum critical region. This quantum critical behavior manifests itself in unconventional and unexpected physical behavior like novel non Fermi liquid phases. From a theoretical point of view, a phase diagram like the one shown on the right is expected: the QPT separates an ordered from a disordered phase (often, the low temperature disordered phase is referred to as 'quantum' disordered). At high enough temperatures, the system is disordered and purely classical. Around the classical phase transition, the system is governed by classical thermal fluctuations (light blue area). This region becomes narrower with decreasing energies and converges towards the quantum critical point (QCP). Experimentally, the 'quantum critical' phase, which is still governed by quantum fluctuations, is the most interesting one.