양자 위상 전환

물리학에서 양자 위상 전이(QPT)는 서로 다른 양자 위상 사이의 위상 전이(영온에서 물질의 페이즈)이다. 고전적 위상 전환과는 달리 양자 위상 전환은 절대 영온에서 자기장이나 압력 같은 물리적 파라미터를 변화시켜야만 접근할 수 있다. 전환은 양자 변동에 의한 다체계의 지반 상태의 급격한 변화를 기술하고 있다. 이러한 양자 위상 전환은 2차 위상 전환이 될 수 있다.^[1] 양자 위상 전환은 위상학적 페르미온 응축 양자 위상 전환으로 나타낼 수도 있다(예: 강하게 상관된 양자 스핀 액체를 참조). 3차원 페르미 액체의 경우, 이 전환은 페르미 표면을 페르미 볼륨으로 변환한다. 이러한 전환은 2차원 구조(페르미 표면)를 3차원 구조로 변환하기 때문에 1차 위상 전환이 될 수 있다. 그 결과 페르미 액체의 위상학적 전하량은 별개의 값 집합 중 하나만을 차지하기 때문에 갑자기 변한다.

고전적 묘사

양자 위상 전환을 이해하려면 이를 고전 위상 전환(CPT)(열 위상 전환이라고도 함)^[2]과 대조하는 것이 유용하다. CPT는 시스템의 열역학 특성에 있는 정지를 설명한다. 그것은 입자의 재구성을 신호로 한다; 대표적인 예는 액체와 고체의 변화를 묘사하는 물의 얼어붙은 전환이다. 고전적 위상 전환은 시스템의 에너지와 열변동의 엔트로피 사이의 경쟁에 의해 추진된다. 고전적 시스템은 영온에서 엔트로피를 가지지 않기 때문에 위상 전환이 일어날 수 없다. 그들의 순서는 열역학적 전위의 첫 번째 불연속 파생에 의해 결정된다. 예를 들어 물에서 얼음으로의 위상 전환은 잠열(내부 에너지 $U{\displaystyle }$ ${\displaystyle U}$의 불연속성$)$을 포함하며 첫 번째 순서다. 강자석에서 파라마석으로의 위상 전환은 연속적이며 2차 순이다. (Ehrenfest의 위상 전환에 대한 분류는 전환 시 불연속적인 자유 에너지의 파생 모델별 위상 전환 참조). 주문된 단계에서 주문되지 않은 단계로 이러한 연속적인 전환은 주문 매개변수로 설명되며, 주문된 페이즈에서는 0이고 주문된 페이즈에서는 0이다. 앞서 언급한 강자성 전환의 경우, 순서 매개변수는 시스템의 총 자기화를 나타낼 것이다.

순서 매개변수의 열역학적 평균이 무질서한 상태에서 0이기는 하지만, 그 변동은 0이 아닐 수 있고 임계점 근처에서 긴 범위가 될 수 있다. 여기서 이들의 일반적인 길이 척도 ξ(상관 길이)와 일반적인 변동 붕괴 시간 척도 τ_c(상관 시간)는 다음과 같이 갈린다.

${\displaystyle \xi \propto \epsilon ^{-\nu }\,\,\,\,\좌({\frac { T-T_{c}}}}}\오른쪽)^{T_{-\nu }}}^{-\nu }}}}}}}$

$\displaystyle \tau _{c}\propto \xi ^{z}\propto \epsilon ^{-\nu z}}}$

어디에

${\displaystyle \epsilon ={\frac {T-T_{c}}}{{c}}{{}}}}{T_{c}}}}$

임계 온도 T로부터의_c 상대 편차로 정의된다. 우리는 ν을 (상관 길이) 임계 지수라고 부르고, z는 동적 임계 지수라고 부른다. 0이 아닌 온도 위상 전환의 임계 동작은 고전적인 열역학으로 충분히 설명된다. 양자역학은 실제 위상이 양자 기계적 기술(예: 초전도성)을 필요로 해도 아무런 역할을 하지 않는다.

양자 설명

양자상 전환에 대해 말하는 것은 T = 0: 압력, 화학적 조성 또는 자기장과 같은 비온도 파라미터를 조정함으로써 퀴리 또는 네엘 온도와 같은 일부 전환 온도를 0 K로 억제할 수 있다는 것을 의미한다.

영온에서 평형 상태에 있는 시스템은 항상 최저 에너지 상태(또는 최저 에너지가 퇴화된 경우 동등하게 가중된 중첩 위치)에 있으므로 QPT는 열 변동에 의해 설명될 수 없다. 대신 하이젠베르크의 불확실성 원리에서 발생하는 양자 변동은 QPT의 주문 특성 상실을 초래한다. QPT는 양자 임계점(QCP)에서 발생하는데, 여기서 전환을 주도하는 양자 변동은 분화하여 시공간에서 불변하는 스케일이 된다.

절대 0은 물리적으로 실현 가능하지 않지만, 임계점 부근의 시스템의 저온 거동에서는 전환의 특성을 감지할 수 있다. 0이 아닌 온도에서 kT의_B 에너지 척도를 갖는 고전적 변동은 에너지 척도 Ω의 양자 변동과 경쟁한다. 여기서 Ω은 양자 진동의 특성 주파수로 상관 시간에 반비례한다. 양자 변동은 양자 임계 영역으로 알려진 ħΩ > kT_B 지역에서 시스템의 동작을 지배한다. 이 양자 비판적 행동은 새로운 비 페르미 액상처럼 파격적이고 예상치 못한 물리적 행동으로 나타난다. 이론적인 관점에서 보면, QPT가 순서를 정렬되지 않은 단계와 분리한다(종종 저온 정렬되지 않은 단계를 '정량화'라고 한다)와 같은 위상 다이어그램을 예상할 수 있다.

충분히 높은 온도에서, 시스템은 질서 정연하고 순수하게 고전적이다. 고전적 위상 전환에 따라 시스템은 고전적 열변동(연청색 영역)에 의해 제어된다. 이 지역은 에너지 감소로 좁아지고 양자 임계점(QCP)으로 수렴되는 양자로 전환되는데, 실험적으로 여전히 양자 변동에 의해 좌우되는 '양자 임계' 단계가 가장 흥미롭다.

참고 항목

• 초전도체 절연체 전환
• 양자상
• 양자 임계점

참조

• Sachdev, Subir (2011). Quantum Phase Transitions. Cambridge University Press. (2nd ed.). ISBN 978-0-521-51468-2.
• Carr, Lincoln D. (2010). Understanding Quantum Phase Transitions. CRC Press. ISBN 978-1-4398-0251-9.
• Vojta, Thomas (2000). "Quantum phase transitions in electronic systems". Annalen der Physik. arXiv:cond-mat/9910514. Bibcode:2000AnP...512..403V. doi:10.1002/1521-3889(200006)9:6<403::AID-ANDP403>3.0.CO;2-R.
• de Souza, Mariano (2020). "Unveiling the Physics of the Mutual Interactions in Paramagnets". Scientific Reports. doi:10.1038/s41598-020-64632-x.