Квантовый фазовый переход

Фазовые переходы
Thermodynamics navigation image.svg
Статья является частью серии «Термодинамика».
Понятие фазы
Равновесие фаз
Квантовый фазовый переход
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

Ква́нтовый фа́зовый перехо́д (квантовое фазовое превращение) — переход вещества из одной квантовой термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий, происходящий, однако, при отсутствии тепловых флуктуаций, то есть при . Таким образом, система перестраивается под действием каких-либо нетепловых параметров (например давления или напряженности магнитного поля).

Классический фазовый переход описывается разрывом термодинамических функций данной системы. Подобный разрыв свидетельствует о том, что частицы системы перестраиваются. Типичным примером подобного поведения является переход воды из жидкого состояния в твёрдое (лёд). За процессы, происходящие при классических фазовых переходах, ответственны два конкурирующих параметра: энергия системы и энтропия её термических флуктуаций. Энтропия классической системы при нулевой температуре отсутствует, поэтому фазовый переход произойти не может (см. теорему Нернста).

Однако в квантово-механической системе происходят квантовые флуктуации, которые и ответственны за фазовый переход. Таким образом, квантовые флуктуации могут переводить систему в другую фазу. Контролируют эти квантовые флуктуации нетепловые параметры, такие как давление, концентрация частиц.

Системой, испытывающей квантовый фазовый переход первого рода, является гелий 4He: при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу, даже при абсолютном нуле температуры. Однако, при давлениях выше 25 атмосфер гелий кристаллизуется в гексагональную упаковку.

Наиболее ярким представителем материалов, в которых происходит квантовый фазовый переход второго рода, является геликоидальный ферромагнетик MnSi. Данный материал при нормальном давлении имеет критическую температуру перехода из парамагнитного состояния в слабое ферромагнитное состояние 29 K. Однако, при приложении внешнего гидростатического давления порядка 14,6 кбар , возникает квантовый фазовый переход.

Квазичастичное взаимодействие вблизи квантовой критической точки обладает сильной импульсной зависимостью

где - эффективная константа связи, - критический волновой вектор, - обратный эффективный радиус взаимодействия. Такой вид квазичастичного взаимодействия, вероятно, связано с близостью квантовой критической точки к точке перехода металл-диэлектрик и может рассматриваться как результат обмена мягкими зарядовыми флуктуациями с волновым вектором

Уравнение обобщенного ферми-жидкостного подхода, применимого по обе стороны от квантовой критической точки:

где - пустотный спектр, - температура, - плотность числа частиц, - элемент объема N-мерного импульсного пространства. Первое уравнение системы - соотношение Ландау между квазичастичным спектром и квазичастичной функцией взаимодействия для однородных ферми-систем, являющееся следствием трянсляционной инвариантности. Второе уравнение - статистическая формула Ферми-Дирака, в которой квазичастичный спектр рассматривается как функционал квазичастичного импульсного распределения Третье уравнение - условие постоянства числа частиц в системе. Данная система уравнений с квазичастичным взаимодействием позволяет воспроизвести результаты микроскопических расчетов квазичастичного спектра с ферми-жидкостной стороны от квантовой критической точки.

Ферми-жидкостная квантовая критическая точка связана с непрерывным топологическим фазовым переходом, при котором возникает новое основное состояние с тремя листами поверхности Ферми.[1]

Часто причины возникновения квантовых фазовых переходов остаются пока неясными.

ПримечанияПравить

  1. Панкратов Сергей Сергеевич - Топологические квантовые переходы в однородных изотропных ферми-системах..

ЛитератураПравить