Введение

Точка на фазовой диаграмме материала, где непрерывный фазовый переход происходит при абсолютном нуле Квантовой критической точкой является точка на фазовой диаграмме материала, где непрерывный фазовый переход происходит при абсолютном нуле. Квантовая критическая точка обычно достигается путем непрерывного подавления фазового перехода от ненулевой температуры к нулевой температуре путем применения давления, поля или допирования. Обычные фазовые переходы происходят при ненулевой температуре, когда рост случайных тепловых колебаний приводит к изменению физического состояния системы. Исследования физики конденсированной материи за последние несколько десятилетий показали новый класс фазовых переходов, называемых квантовыми фазовыми переходами, которые происходят при абсолютном нуле. В отсутствие тепловых колебаний, которые вызывают обычные фазовые переходы, квантовые фазовые переходы обусловлены квантовыми колебаниями нулевой точки, связанными с принципом неопределенности Гейзенберга.

Обзор

В классе фазовых переходов существуют две основные категории: при фазовых переходах первого порядка свойства изменяются непрекращающе, как при плавлении твердого вещества, тогда как при фазовых переходах второго порядка состояние системы изменяется непрерывно. Переходы фазы второго порядка характеризуются ростом колебаний на все более длинных масштабах. Эти колебания называются "критическими колебаниями". В критической точке, где происходит переход второго порядка, критические колебания являются инвариантными по масштабу и распространяются на всю систему. При фазовом переходе температуры, отличающемся от нуля, колебания, которые развиваются в критической точке, регулируются классической физикой, потому что характерная энергия квантовых колебаний всегда меньше, чем характерная тепловая энергия Болцмана. В квантовой критической точке критические колебания носят квантово-механический характер, демонстрируя инвариантность масштаба как в пространстве, так и во времени. В отличие от классических критических точек, где критические колебания ограничены узкой областью вокруг фазового перехода, влияние квантовой критической точки ощущается в широком диапазоне температур выше квантовой критической точки, поэтому эффект квантовой критичности ощущается, никогда не достигая абсолютного нуля. Квантовая критичность впервые была замечена в ферроэлектрике, в которой температура перехода ферроэлектрики подавлена до нуля. Было замечено, что широкий спектр металлических ферромагнетов и антиферромагнетов развивают квантово-критическое поведение, когда их температура магнитного перехода снижается до нуля путем применения давления, химического допинга или магнитных полей. В этих случаях свойства металла радикально трансформируются критическими колебаниями, качественно отходя от стандартного поведения жидкости Ферми, чтобы сформировать металлическое состояние, иногда называемое жидкостью не Ферми или "странным металлом". Особый интерес вызывают эти необычные металлические состояния, которые, как полагают, демонстрируют заметное преобладание в развитии сверхпроводности. Также было показано, что квантовые критические колебания способствуют образованию экзотических магнитных фаз вблизи квантовых критических точек.

Квантовые критические конечные точки

Квантовые критические точки возникают, когда восприимчивость расходится при нулевой температуре. Существует ряд материалов (таких как CeNi2Ge2), где это происходит случайно. Чаще всего материал должен быть настроен на квантовую критическую точку. Чаще всего это делается путем использования системы с фазовым переходом второго порядка, который происходит при ненулевой температуре, и настройки ее, например, путем применения давления или магнитного поля или изменения ее химического состава. CePd2Si2 является таким примером, где антиферромагнитный переход, который происходит при приблизительно 10K под давлением окружающей среды, может быть настроен на нулевую температуру, применяя давление 28 000 атмосфер. Реже переход первого порядка может быть сделан квантово-критическим. Переходы первого порядка обычно не показывают критических колебаний, поскольку материал перемещается непрекращающе из одной фазы в другую. Однако, если фазовый переход первого порядка не включает в себя изменение симметрии, то фазовая диаграмма может содержать критическую конечную точку, где заканчивается фазовый переход первого порядка. Такой конечный результат имеет дивергентную восприимчивость. Переход между жидкой и газовой фазами является примером перехода первого порядка без изменения симметрии, а критическая конечная точка характеризуется критическими колебаниями, известными как критическая опалесценция. Квантовая критическая конечная точка возникает, когда критическая точка с ненулевой температурой настроена на нулевую температуру. Один из наиболее изученных примеров происходит в слоистом рутеновом металле, Sr3Ru2O7 в магнитном поле. Этот материал показывает метамагнетизм с низкой температурой метамагнетического перехода первого порядка, где магнитация прыгает, когда магнитное поле применяется в направлениях слоев. Первый прыжок заканчивается в критической конечной точке примерно на 1 Кельвина. Сменив направление магнитного поля так, чтобы оно было почти перпендикулярно слоям, критическая конечная точка настроена на нулевую температуру при поле около 8 теслей. Полученные квантовые критические колебания доминируют над физическими свойствами этого материала при ненулевых температурах и вдали от критического поля. Сопротивление показывает не Ферми жидкий ответ, эффективная масса электрона растет и магнитотермальное расширение материала модифицируется все в ответ на квантовые критические колебания.