Квантовый фазовый переход

Ква́нтовый фа́зовый перехо́д (квантовое фазовое превращение) — переход вещества из одной квантовой термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий, происходящий, однако, при отсутствии тепловых флуктуаций, то есть при $T_{C}\to 0$. Таким образом, система перестраивается под действием каких-либо нетепловых параметров (например давление или магнитное поле).

Классический фазовый переход описывается разрывом термодинамических функций данной системы. Подобный разрыв свидетельствует о том, что частицы системы перестраиваются. Типичным примером подобного поведения является переход воды из жидкого состояния в твёрдое (лёд). За процессы, происходящие при классических фазовых переходах, ответственны два конкурирующих параметра: энергия системы и энтропия её термических флуктуаций. Энтропия классической системы при нулевой температуре отсутствует, поэтому фазовый переход произойти не может (см. теорему Нернста).

Однако в квантово-механической системе происходят квантовые флуктуации, которые и ответственны за фазовый переход. Таким образом, квантовые флуктуации могут переводить систему в другую фазу. Контролируют эти квантовые флуктуации нетепловые параметры, такие как давление, концентрация.

Системой, испытывающий квантовый фазовый переход первого рода, является гелий ⁴He: при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле. Однако, при давлениях выше 25 атмосфер гелий кристаллизуется в гексагональную упаковку.

Наиболее ярким представителем материалов, в которых происходит квантовый фазовый переход второго рода, является геликоидальный ферромагнетик MnSi. Данный материал при нормальном давлении имеет критическую температуру перехода $T_{C}$ из парамагнитного состояния в слабое ферромагнитное состояние 29 K. Однако при приложении внешнего гидростатического давления порядка 14,6 кбар $T_{C}\to 0$, в результате чего возникает квантовый фазовый переход.

Часто, причины возникновения квантовых фазовых переходов остаются неясными.

Литература

• Е. Л. Шангина, В. Т. Долгополов. Квантовые фазовые переходы в двумерных системах // УФН. — 2003. — Т. 173. — С. 801–812. — doi:10.3367/UFNr.0173.200308a.0801.
• С. М. Стишов. Квантовые фазовые переходы // УФН. — 2004. — Т. 174. — С. 853–860. — doi:10.3367/UFNr.0174.200408b.0853.
• В. Ф. Гантмахер, В. Т. Долгополов. Квантовые фазовые переходы „локализованные-делокализованные электроны // УФН. — 2008. — Т. 178. — С. 3–24. — doi:10.3367/UFNr.0178.200801a.0003.