Point critique quantique - Quantum critical point

Un point critique quantique est un point dans le diagramme de phase d'un matériau où une transition de phase continue a lieu au zéro absolu . Un point critique quantique est généralement atteint par une suppression continue d'une transition de phase de température non nulle à température nulle par l'application d'une pression, d'un champ ou par dopage. Les transitions de phase conventionnelles se produisent à une température non nulle lorsque la croissance de fluctuations thermiques aléatoires conduit à un changement de l'état physique d'un système. La recherche en physique de la matière condensée au cours des dernières décennies a révélé une nouvelle classe de transitions de phase appelées transitions de phase quantique qui ont lieu au zéro absolu . En l'absence des fluctuations thermiques qui déclenchent des transitions de phase conventionnelles, les transitions de phase quantiques sont entraînées par les fluctuations quantiques du point zéro associées au principe d' incertitude de Heisenberg .

Aperçu

Au sein de la classe des transitions de phase, il existe deux catégories principales: lors d'une transition de phase du premier ordre , les propriétés se décalent de manière discontinue, comme lors de la fusion d'un solide, tandis que lors d'une transition de phase du second ordre , l'état du système change de manière continue. mode. Les transitions de phase de second ordre sont marquées par la croissance des fluctuations sur des échelles de longueur toujours plus longues. Ces fluctuations sont appelées «fluctuations critiques». Au point critique où se produit une transition de second ordre, les fluctuations critiques sont invariantes à l'échelle et s'étendent sur l'ensemble du système. À une transition de phase de température non nulle, les fluctuations qui se développent à un point critique sont régies par la physique classique, car l'énergie caractéristique des fluctuations quantiques est toujours inférieure à l'énergie thermique caractéristique de Boltzmann .

À un point critique quantique, les fluctuations critiques sont de nature mécanique quantique, présentant une invariance d'échelle à la fois dans l'espace et dans le temps. Contrairement aux points critiques classiques, où les fluctuations critiques sont limitées à une région étroite autour de la transition de phase, l'influence d'un point critique quantique est ressentie sur une large plage de températures au-dessus du point critique quantique, de sorte que l'effet de la criticité quantique se fait sentir sans atteignant jamais le zéro absolu. La criticité quantique a été observée pour la première fois dans les ferroélectriques , dans lesquels la température de transition ferroélectrique est supprimée à zéro.

On a observé qu'une grande variété de ferromagnétiques métalliques et d' antiferromagnétiques développent un comportement critique quantique lorsque leur température de transition magnétique est amenée à zéro par l'application de pression, de dopage chimique ou de champs magnétiques. Dans ces cas, les propriétés du métal sont radicalement transformées par les fluctuations critiques, s'écartant qualitativement du comportement liquide standard de Fermi , pour former un état métallique parfois appelé liquide non-Fermi ou "métal étrange". Il y a un intérêt particulier pour ces états métalliques inhabituels, qui sont censés présenter une prépondérance marquée vers le développement de la supraconductivité . Il a également été démontré que les fluctuations quantiques critiques entraînent la formation de phases magnétiques exotiques à proximité de points critiques quantiques.

Points finaux critiques quantiques

Les points critiques quantiques surviennent lorsqu'une susceptibilité diverge à température nulle. Il existe un certain nombre de matériaux (tels que CeNi 2 Ge 2 ) où cela se produit par hasard. Le plus souvent, un matériau doit être réglé sur un point critique quantique. Le plus souvent, cela se fait en prenant un système avec une transition de phase du second ordre qui se produit à une température non nulle et en le réglant - par exemple en appliquant une pression ou un champ magnétique ou en modifiant sa composition chimique. CePd 2 Si 2 est un tel exemple, où la transition antiferromagnétique qui se produit à environ 10K sous la pression ambiante peut être réglé à zéro température en appliquant une pression de 28.000 atmosphères. Moins fréquemment, une transition de premier ordre peut être rendue critique quantique. Les transitions de premier ordre ne présentent normalement pas de fluctuations critiques car le matériau se déplace de manière discontinue d'une phase à une autre. Cependant, si la transition de phase du premier ordre n'implique pas un changement de symétrie, alors le diagramme de phase peut contenir un point d'extrémité critique où la transition de phase du premier ordre se termine. Un tel point final a une sensibilité divergente. La transition entre les phases liquide et gazeuse est un exemple de transition de premier ordre sans changement de symétrie et le point final critique est caractérisé par des fluctuations critiques appelées opalescence critique .

Un point final critique quantique survient lorsqu'un point critique de température différent de zéro est réglé sur une température nulle. L'un des exemples les mieux étudiés se produit dans le métal ruthénate en couches, Sr 3 Ru 2 O 7 dans un champ magnétique. Ce matériau présente un métamagnétisme avec une transition métamagnétique du premier ordre à basse température où l'aimantation saute lorsqu'un champ magnétique est appliqué dans les directions des couches. Le saut de premier ordre se termine par un point de terminaison critique à environ 1 kelvin. En commutant la direction du champ magnétique de sorte qu'il pointe presque perpendiculairement aux couches, le point final critique est réglé à une température nulle à un champ d'environ 8 teslas. Les fluctuations critiques quantiques qui en résultent dominent les propriétés physiques de ce matériau à des températures non nulles et loin du champ critique. La résistivité montre une réponse liquide non-Fermi, la masse effective de l'électron augmente et l' expansion magnétothermique du matériau est modifiée en réponse aux fluctuations quantiques critiques.

Transition de phase quantique hors équilibre

Une estimation intuitive de l'effet d'un point critique quantique affecté par le bruit serait que le bruit externe définit une température effective . Cette température effective introduirait une échelle d'énergie bien définie dans le problème et briserait l'invariance d'échelle du point critique quantique. Au contraire, il a été récemment découvert que certains types de bruit peuvent induire un état critique quantique hors équilibre. Cet état est hors d'équilibre en raison du flux d'énergie continu introduit par le bruit, mais il conserve toujours le comportement invariant d'échelle typique des points critiques.

Remarques

Les références