Ponto crítico quântico - Quantum critical point

Um ponto crítico quântico é um ponto no diagrama de fase de um material onde uma transição de fase contínua ocorre no zero absoluto . Um ponto crítico quântico é tipicamente alcançado por uma supressão contínua de uma transição de fase de temperatura diferente de zero para a temperatura zero pela aplicação de uma pressão, campo ou por meio de dopagem. As transições de fase convencionais ocorrem em temperatura diferente de zero quando o aumento de flutuações térmicas aleatórias leva a uma mudança no estado físico de um sistema. A pesquisa em física da matéria condensada nas últimas décadas revelou uma nova classe de transições de fase chamadas transições de fase quânticas, que ocorrem no zero absoluto . Na ausência das flutuações térmicas que acionam as transições de fase convencionais, as transições de fase quântica são conduzidas pelas flutuações quânticas de ponto zero associadas ao princípio da incerteza de Heisenberg .

Visão geral

Dentro da classe de transições de fase, há duas categorias principais: em uma transição de fase de primeira ordem , as propriedades mudam descontinuamente, como na fusão de sólido, enquanto em uma transição de fase de segunda ordem , o estado do sistema muda de forma contínua moda. As transições de fase de segunda ordem são marcadas pelo crescimento de flutuações em escalas de comprimento cada vez mais longas. Essas flutuações são chamadas de "flutuações críticas". No ponto crítico onde ocorre uma transição de segunda ordem, as flutuações críticas são invariantes em escala e se estendem por todo o sistema. Em uma transição de fase de temperatura diferente de zero, as flutuações que se desenvolvem em um ponto crítico são governadas pela física clássica, porque a energia característica das flutuações quânticas é sempre menor do que a energia térmica de Boltzmann característica .

Em um ponto crítico quântico, as flutuações críticas são de natureza mecânica quântica, exibindo invariância de escala no espaço e no tempo. Ao contrário dos pontos críticos clássicos, onde as flutuações críticas são limitadas a uma região estreita em torno da transição de fase, a influência de um ponto crítico quântico é sentida em uma ampla faixa de temperaturas acima do ponto crítico quântico, de modo que o efeito da criticidade quântica é sentido sem sempre alcançando o zero absoluto. A criticidade quântica foi observada pela primeira vez em ferroelétricos , nos quais a temperatura de transição ferroelétrica é suprimida para zero.

Uma ampla variedade de ferromagnetos e antiferromagnetos metálicos foi observada para desenvolver um comportamento quântico crítico quando sua temperatura de transição magnética é levada a zero através da aplicação de pressão, dopagem química ou campos magnéticos. Nestes casos, as propriedades do metal são radicalmente transformadas pelas flutuações críticas, partindo qualitativamente do comportamento do líquido Fermi padrão , para formar um estado metálico às vezes denominado líquido não Fermi ou "metal estranho". Há um interesse particular nesses estados metálicos incomuns, que se acredita exibir uma preponderância marcada para o desenvolvimento da supercondutividade . As flutuações quânticas críticas também foram mostradas para conduzir a formação de fases magnéticas exóticas nas proximidades de pontos quânticos críticos.

Endpoints críticos quânticos

Os pontos críticos quânticos surgem quando uma suscetibilidade diverge na temperatura zero. Existem vários materiais (como CeNi 2 Ge 2 ) onde isso ocorre acidentalmente. Mais freqüentemente, um material precisa ser sintonizado em um ponto crítico quântico. Mais comumente, isso é feito pegando um sistema com uma transição de fase de segunda ordem que ocorre em temperatura diferente de zero e ajustando-o - por exemplo, aplicando pressão ou campo magnético ou mudando sua composição química. CePd 2 Si 2 é um exemplo, onde a transição antiferromagnética que ocorre a cerca de 10K sob pressão ambiente pode ser ajustada para temperatura zero aplicando uma pressão de 28.000 atmosferas. Menos comumente, uma transição de primeira ordem pode ser considerada quântica crítica. As transições de primeira ordem normalmente não mostram flutuações críticas à medida que o material se move descontinuamente de uma fase para outra. No entanto, se a transição de fase de primeira ordem não envolve uma mudança de simetria, o diagrama de fase pode conter um ponto final crítico onde a transição de fase de primeira ordem termina. Tal endpoint tem uma suscetibilidade divergente. A transição entre as fases líquida e gasosa é um exemplo de transição de primeira ordem sem uma mudança de simetria e o ponto final crítico é caracterizado por flutuações críticas conhecidas como opalescência crítica .

Um ponto final crítico quântico surge quando um ponto crítico de temperatura diferente de zero é ajustado para a temperatura zero. Um dos exemplos mais bem estudados ocorre no metal rutenato estratificado, Sr 3 Ru 2 O 7 em um campo magnético. Este material mostra metamagnetismo com uma transição metamagnética de primeira ordem de baixa temperatura onde a magnetização salta quando um campo magnético é aplicado dentro das direções das camadas. O salto de primeira ordem termina em um ponto final crítico em cerca de 1 kelvin. Ao mudar a direção do campo magnético de modo que ele aponte quase perpendicular às camadas, o ponto final crítico é ajustado para a temperatura zero em um campo de cerca de 8 teslas. As flutuações críticas quânticas resultantes dominam as propriedades físicas deste material em temperaturas diferentes de zero e longe do campo crítico. A resistividade mostra uma resposta líquida não-Fermi, a massa efetiva do elétron cresce e a expansão magnetotérmica do material é modificada em resposta às flutuações quânticas críticas.

Transição de fase quântica sem equilíbrio

Uma suposição intuitiva do efeito de um ponto crítico quântico sendo afetado pelo ruído seria que o ruído externo define uma temperatura efetiva . Esta temperatura efetiva introduziria uma escala de energia bem definida no problema e quebraria a invariância de escala do ponto crítico quântico. Pelo contrário, descobriu-se recentemente que certos tipos de ruído podem induzir um estado crítico quântico de não equilíbrio. Este estado está fora de equilíbrio por causa do fluxo contínuo de energia introduzido pelo ruído, mas ainda mantém o comportamento invariante de escala típico de pontos críticos.

Notas

Referências