Квантовый фазовый переход

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Статья является частью серии «Термодинамика».
Фазовые переходы
Thermodynamics navigation image.svg
Разделы термодинамики
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.

Примечания[править | править код]

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

Литература[править | править код]