양자 임계점

양자 임계점은 물질의 위상 다이어그램에서 절대 0에서 연속 위상 전환이 일어나는 지점이다. 양자 임계점은 일반적으로 압력, 필드 또는 도핑을 통해 0온도로의 0이 아닌 온도 위상 전환을 지속적으로 억제함으로써 달성된다. 재래식 위상 전환은 무작위 열변동의 증가로 시스템의 물리적 상태가 변화할 때 0이 아닌 온도에서 발생한다. 지난 수십 년간의 응축 물질 물리학 연구는 절대 0에서 일어나는 양자 위상 전환이라고^[1] 불리는 새로운 종류의 위상 전환을 밝혀냈다. 전통적인 위상 전환을 촉발하는 열적 변동이 없는 경우, 양자 위상 전환은 하이젠베르크의 불확실성 원리와 관련된 0점 양자 변동에 의해 추진된다.

개요

위상 전환의 클래스 내에는 두 가지 주요 범주가 있다: 1차 위상 전환에서는 특성이 고체의 용해와 같이 불연속적으로 이동하지만 2차 위상 전환에서는 시스템의 상태가 연속적으로 변화한다. 2차 위상 전환은 더 긴 길이 척도의 변동 증가에 의해 표시된다. 이러한 변동을 "심각한 변동"이라고 한다. 2차 전환이 발생하는 임계 지점에서 임계 변동은 일정 불변이며 전체 시스템에 걸쳐 확장된다. 0이 아닌 온도 위상 전환 시, 양자 변동의 특성 에너지가 특징적인 볼츠만 열 에너지 ${\displaystyle k_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle k_{B}T}$보다 항상 작기 때문에 임계 지점에서 전개되는 변동은 고전 물리학의 지배를 받는다$.$

양자 임계 지점에서 임계 변동은 본질적으로 양자 역학적이며, 공간과 시간 내에 규모 불변성을 나타낸다. 위상전환을 중심으로 임계변동이 좁은 지역에 국한되는 고전적 임계점과 달리 양자 임계점 이상의 광범위한 온도에서 양자 임계점의 영향을 느끼기 때문에 절대 0에 도달하지 않고 양자 임계점의 영향을 느낀다. 양자 임계도는 처음으로 강전 전환 온도가 0으로 억제되는 철전학에서 관찰되었다.

압력, 화학 도핑 또는 자기장의 적용을 통해 자기 전환 온도가 0으로 구동될 때 다양한 금속 페로마그네틱과 항암페로마그네틱이 양자 임계 행동을 발생시키는 것이 관찰되었다. 이 경우 금속의 성질은 표준 페르미 액체 행동에서 질적으로 벗어난 임계 변동에 의해 급진적으로 변형되어 비페르미 액체 또는 "이상한 금속"이라고 불리는 금속 상태를 형성한다. 이러한 특이한 금속 상태에는 특히 관심이 있는데, 초전도성의 발달에 현저한 우위를 보이는 것으로 생각된다. 양자 임계변동 역시 양자 임계점 부근에 이국적인 자기상 형성을 추진하는 것으로 나타났다.^[2]

양자 임계 끝점

양자 임계점은 감수성이 영온에서 분산될 때 발생한다. 이러한 현상이 우연히 일어나는 많은 재료(예: CeNiGe₂₂^[3])가 있다. 더 자주 물질은 양자 임계점에 맞춰져야 한다. 가장 일반적으로 이것은 0이 아닌 온도에서 발생하는 2차 위상 전환을 가진 시스템을 취하여 이를 조정함으로써 이루어진다. 예를 들어 압력이나 자기장을 가하거나 화학적 구성을 변경하는 것이다. CePdSi는₂₂ 대기압 28,000의 압력을 가함으로써 주변압력 하에서 약 10K에서 발생하는 반자성 전환을 영온으로 조정할 수 있는 그러한 예다.^[4][5] 덜 흔하게 1차 전환이 양자적으로 중요해질 수 있다. 물질이 한 단계에서 다른 단계로 불연속적으로 이동하기 때문에 일반적으로 1차 전환은 심각한 변동을 나타내지 않는다. 그러나 1차 순서 전환이 대칭의 변화를 수반하지 않는 경우, 위상 다이어그램에는 1차 위상 전환이 종료되는 중요한 엔드포인트가 포함될 수 있다. 그러한 끝점은 서로 다른 민감성을 가지고 있다. 액상과 기체 단계 사이의 전환은 대칭의 변화 없이 1차 전환의 한 예로서, 임계 끝점은 임계 발광이라고 알려진 임계 변동에 의해 특징지어진다.

양자 임계 끝점은 0이 아닌 온도 임계점이 0 온도로 조정될 때 발생한다. 가장 잘 연구된 예들 중 하나는 자기장의 레이어드 루테나이트 금속인 SrRuO에서₃₂₇ 발생한다.^[6] 이 물질은 층의 방향 내에서 자기장을 가했을 때 자기장이 점프를 하는 저온 1차 변광성의 변광성을 보여준다. 1차 점프는 약 1켈빈에서 중요한 엔드포인트에서 종료된다. 자기장의 방향을 전환하여 거의 층에 수직으로 향하도록 함으로써, 임계 끝점은 약 8테슬라 들판에서 영온으로 조정된다. 그 결과로 발생하는 양자 임계 변동은 0이 아닌 온도에서 임계 영역으로부터 멀리 떨어진 곳에서 이 물질의 물리적 특성을 지배한다. 저항성은 비페르미 액체 반응을 보이고 전자의 유효 질량이 증가하며 물질의 자기온 팽창이 양자 임계 변동에 반응하여 모두 수정된다.

비균형 양자 위상 전환

양자 임계점이 소음에 의해 영향을 받는 영향에 대한 직관적인 추측은 외부 소음이 유효 온도를 정의한다는 것이다. 이 유효 온도는 문제에 잘 정의된 에너지 척도를 도입하고 양자 임계점의 척도 불변도를 깨뜨릴 것이다. 오히려 최근 특정 유형의 소음이 비균형 양자 임계 상태를 유발할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 상태는 소음으로 인한 지속적인 에너지 흐름 때문에 평형 상태를 벗어나지만, 여전히 임계 지점의 전형적인 일정 불변성 행동을 유지하고 있다.

메모들

참조

• Cyril Domb (1996). The critical point: a historical introduction to the modern theory of critical phenomena. Taylor and Francis.
• Hertz, J. (1976). "Quantum Critical Phenomena". Phys. Rev. B. 14 (3): 1165–1184. Bibcode:1976PhRvB..14.1165H. doi:10.1103/PhysRevB.14.1165.
• M.A. Continentino (2001). Quantum Scaling in Many-Body Systems. World Scientific.
• P. Coleman; A. J. Schofield (2005). "Quantum criticality". Nature. 433 (7023): 226–229. arXiv:cond-mat/0503002. Bibcode:2005Natur.433..226C. doi:10.1038/nature03279. PMID 15662409.
• E.G. Dalla Torre; et al. (2010). "Quantum critical states and phase transitions in the presence of non-equilibrium noise" (Submitted manuscript). Nature Physics. 6 (10): 806–810. arXiv:0908.0868. Bibcode:2010NatPh...6..806D. doi:10.1038/nphys1754.
• Carr, Lincoln D. (2010). Understanding Quantum Phase Transitions. CRC Press. ISBN 978-1-4398-0251-9.
• Mariano de Souza (2020). "Unveiling the Physics of the Mutual Interactions in Paramagnets". Scientific Reports. doi:10.1038/s41598-020-64632-x.