Квантовая критическая точка — это точка на фазовой диаграмме материала, в которой при абсолютном нуле происходит непрерывный фазовый переход . Квантовая критическая точка обычно достигается путем непрерывного подавления фазового перехода от ненулевой температуры до нулевой температуры путем приложения давления, поля или посредством легирования. Обычные фазовые переходы происходят при ненулевой температуре, когда рост случайных тепловых флуктуаций приводит к изменению физического состояния системы. Исследования физики конденсированного состояния за последние несколько десятилетий выявили новый класс фазовых переходов, называемых квантовыми фазовыми переходами [1], которые происходят при абсолютном нуле . В отсутствие тепловых флуктуаций, которые вызывают обычные фазовые переходы, квантовые фазовые переходы обусловлены квантовыми флуктуациями нулевой точки, связанными с принципом неопределенности Гейзенберга .
В классе фазовых переходов есть две основные категории: при фазовом переходе первого рода свойства изменяются скачкообразно, как при плавлении твердого тела, тогда как при фазовом переходе второго рода состояние системы изменяется непрерывно. Фазовые переходы второго рода отмечены ростом флуктуаций на все более длинных масштабах. Эти флуктуации называются «критическими флуктуациями». В критической точке , где происходит переход второго рода, критические флуктуации масштабно инвариантны и распространяются на всю систему. При фазовом переходе с ненулевой температурой флуктуации, которые развиваются в критической точке, регулируются классической физикой, поскольку характерная энергия квантовых флуктуаций всегда меньше характерной тепловой энергии Больцмана .
В квантовой критической точке критические флуктуации имеют квантово-механическую природу, демонстрируя масштабную инвариантность как в пространстве, так и во времени. В отличие от классических критических точек, где критические флуктуации ограничены узкой областью вокруг фазового перехода, влияние квантовой критической точки ощущается в широком диапазоне температур выше квантовой критической точки, поэтому эффект квантовой критичности ощущается, даже не достигая абсолютного нуля. Квантовая критичность впервые была обнаружена в сегнетоэлектриках , в которых температура сегнетоэлектрического перехода подавлена до нуля.
Было замечено, что широкий спектр металлических ферромагнетиков и антиферромагнетиков развивает квантовое критическое поведение, когда их температура магнитного перехода доводится до нуля посредством приложения давления, химического легирования или магнитных полей. В этих случаях свойства металла радикально трансформируются критическими флуктуациями, качественно отклоняясь от стандартного поведения ферми-жидкости , чтобы сформировать металлическое состояние, иногда называемое неферми-жидкостью или «странным металлом». Особый интерес представляют эти необычные металлические состояния, которые, как полагают, демонстрируют заметное преобладание в развитии сверхпроводимости . Было также показано, что квантовые критические флуктуации управляют образованием экзотических магнитных фаз вблизи квантовых критических точек. [2]
Квантовые критические точки возникают, когда восприимчивость расходится при нулевой температуре. Существует ряд материалов (например, CeNi 2 Ge 2 [3] ), где это происходит случайно. Чаще всего материал должен быть настроен на квантовую критическую точку. Чаще всего это делается путем взятия системы с фазовым переходом второго рода, который происходит при ненулевой температуре, и ее настройки — например, путем приложения давления или магнитного поля или изменения ее химического состава. CePd 2 Si 2 является таким примером, [4] где антиферромагнитный переход, который происходит примерно при 10 К под давлением окружающей среды, может быть настроен на нулевую температуру путем приложения давления 28 000 атмосфер. [5] Реже переход первого рода может быть сделан квантовым критическим. Переходы первого рода обычно не показывают критических флуктуаций, поскольку материал переходит скачкообразно из одной фазы в другую. Однако, если фазовый переход первого рода не включает изменение симметрии, то фазовая диаграмма может содержать критическую конечную точку, где фазовый переход первого рода заканчивается. Такая конечная точка имеет расходящуюся восприимчивость. Переход между жидкой и газовой фазами является примером перехода первого рода без изменения симметрии, а критическая конечная точка характеризуется критическими флуктуациями, известными как критическая опалесценция .
Квантовая критическая конечная точка возникает, когда критическая точка с ненулевой температурой настраивается на нулевую температуру. Один из наиболее изученных примеров происходит в слоистом рутенате Sr 3 Ru 2 O 7 в магнитном поле. [6] Этот материал демонстрирует метамагнетизм с низкотемпературным метамагнитным переходом первого рода, где намагниченность скачет, когда магнитное поле прикладывается в направлениях слоев. Скачок первого рода заканчивается в критической конечной точке при температуре около 1 кельвина. При переключении направления магнитного поля так, чтобы оно указывало почти перпендикулярно слоям, критическая конечная точка настраивается на нулевую температуру при поле около 8 тесла. Результирующие квантовые критические флуктуации доминируют над физическими свойствами этого материала при ненулевых температурах и вдали от критического поля. Удельное сопротивление показывает неферми-жидкостный отклик, эффективная масса электрона растет, а магнитотермическое расширение материала изменяется, и все это в ответ на квантовые критические флуктуации.
