Квантовый фазовый переход

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 ${\displaystyle T_{C}\to 0}$. 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 ${\displaystyle T_{C}}$ из парамагнитного состояния в слабое ферромагнитное состояние 29 K. Однако, при приложении внешнего гидростатического давления порядка 14,6 кбар ${\displaystyle T_{C}\to 0}$, возникает квантовый фазовый переход.

Квазичастичное взаимодействие вблизи квантовой критической точки обладает сильной импульсной зависимостью

${\displaystyle f(p_{1},p_{2})=-{\frac {\pi }{m}}{\frac {g}{m((p_{1}-p_{2})^{2}/q_{c}^{2}-1)^{2}+\beta ^{2}}},}$

где ${\displaystyle g}$ - эффективная константа связи, ${\displaystyle q_{c}\simeq 2p_{F}}$ - критический волновой вектор, ${\displaystyle \beta \simeq 0,14}$ - 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 ${\displaystyle q_{c}.}$

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

${\displaystyle {\begin{cases}{\frac {\varepsilon (p)}{\partial p}}={\frac {\varepsilon _{0}(p)}{\partial p}}+\int f(p,p'){\frac {\partial n(p')}{\partial p'}}\,dv',\\n(p)=[1+\exp({\frac {\varepsilon (p)}{T}})]^{-1},\\2\int n(p)\,dv=\rho ,\end{cases}}}$

где ${\displaystyle \varepsilon _{0}(p)={\frac {p^{2}}{2m}}}$ - пустотный спектр, ${\displaystyle T}$ - температура, ${\displaystyle \rho }$ - плотность числа частиц, ${\displaystyle dv={\frac {d^{N}p}{(2\pi )^{N}}}}$ - элемент объема N-мерного импульсного пространства. Первое уравнение системы - соотношение Ландау между квазичастичным спектром ${\displaystyle \varepsilon (p)}$ и квазичастичной функцией взаимодействия ${\displaystyle f(p,p')}$ для однородных ферми-систем, являющееся следствием трянсляционной инвариантности. Второе уравнение - статистическая формула Ферми-Дирака, в которой квазичастичный спектр рассматривается как функционал квазичастичного импульсного распределения ${\displaystyle n(p).}$ 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.