Transición de fase cuántica

En física , una transición de fase cuántica ( TPC ) es una transición entre diferentes fases cuánticas ( fases de la materia a temperatura cero ). A diferencia de las transiciones de fase clásicas, las transiciones de fase cuánticas solo se pueden inducir variando un parámetro físico, como un campo magnético o la presión, a temperatura cero absoluta . La transición describe un cambio abrupto en el estado fundamental de un sistema de muchos cuerpos debido a sus fluctuaciones cuánticas.

Las transiciones de fase cuánticas pueden ser de primer o segundo orden . ^{[ 1 ]} Las transiciones de fase cuánticas también pueden representarse mediante la transición de fase cuántica de condensación de fermiones topológicos , véase, por ejemplo, el líquido de espín cuántico fuertemente correlacionado . En el caso del líquido de Fermi tridimensional , esta transición transforma la superficie de Fermi en un volumen de Fermi. Dicha transición puede ser una transición de fase de primer orden , ya que transforma la estructura bidimensional ( superficie de Fermi ) en tridimensional . Como resultado, la carga topológica del líquido de Fermi cambia abruptamente, puesto que solo toma uno de un conjunto discreto de valores.

Para comprender las transiciones de fase cuánticas, es útil contrastarlas con las transiciones de fase clásicas (TPC) (también llamadas transiciones de fase térmicas). ^{[ 2 ]} Una TPC describe un punto de inflexión en las propiedades termodinámicas de un sistema. Señala una reorganización de las partículas; un ejemplo típico es la transición de congelación del agua, que describe la transición entre el estado líquido y el sólido. Las transiciones de fase clásicas están impulsadas por una competencia entre la energía de un sistema y la entropía de sus fluctuaciones térmicas. Un sistema clásico no tiene entropía a temperatura cero y, por lo tanto, no puede ocurrir ninguna transición de fase. Su orden está determinado por la primera derivada discontinua de un potencial termodinámico.

Una transición de fase del agua al hielo, por ejemplo, implica calor latente (una discontinuidad de la energía interna).${\displaystyle U}$) y es de primer orden. Una transición de fase de un ferromagneto a un paramagneto es continua y de segundo orden. (Véase transición de fase para la clasificación de Ehrenfest de las transiciones de fase según la derivada de la energía libre, que es discontinua en la transición). Estas transiciones continuas de una fase ordenada a una desordenada se describen mediante un parámetro de orden, que es cero en la fase desordenada y distinto de cero en la fase ordenada. Para la transición ferromagnética mencionada, el parámetro de orden representaría la magnetización total del sistema.

Aunque el promedio termodinámico del parámetro de orden es cero en el estado desordenado, sus fluctuaciones pueden ser distintas de cero y volverse de largo alcance en las proximidades del punto crítico, donde su escala de longitud típica ξ (longitud de correlación) y la escala de tiempo de decaimiento de fluctuación típica τ _c (tiempo de correlación) divergen:

${\displaystyle \xi \propto |\epsilon |^{-\nu }\,\,=\left({\frac {|T-T_{c}|}{T_{c}}}\right)^{-\nu }}$

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

dónde

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

se define como la desviación relativa de la temperatura crítica T _c . Llamamos ν el exponente crítico ( longitud de correlación ) y z el exponente crítico dinámico . El comportamiento crítico de las transiciones de fase de temperatura no nula se describe completamente mediante la termodinámica clásica ; la mecánica cuántica no juega ningún papel, incluso si las fases reales requieren una descripción mecánica cuántica (por ejemplo, la superconductividad ).

Hablar de transiciones de fase cuánticas significa hablar de transiciones a T = 0: ajustando un parámetro que no sea la temperatura, como la presión, la composición química o el campo magnético, se podría suprimir, por ejemplo, alguna temperatura de transición, como la temperatura de Curie o la de Néel, a 0 K.

Dado que un sistema en equilibrio a temperatura cero siempre se encuentra en su estado de energía más baja (o en una superposición con igual ponderación si el estado de energía más baja es degenerado), una transición de fase cuántica (TPC) no puede explicarse mediante fluctuaciones térmicas . En cambio, las fluctuaciones cuánticas , derivadas del principio de incertidumbre de Heisenberg , impulsan la pérdida de orden característica de una TPC. La TPC se produce en el punto crítico cuántico (PCQ), donde las fluctuaciones cuánticas que impulsan la transición divergen y se vuelven invariantes de escala en el espacio y el tiempo.

Aunque el cero absoluto no es físicamente realizable, las características de la transición pueden detectarse en el comportamiento del sistema a bajas temperaturas cerca del punto crítico. A temperaturas distintas de cero, las fluctuaciones clásicas con una escala de energía de k _B T compiten con las fluctuaciones cuánticas de escala de energía ħω. Aquí ω es la frecuencia característica de la oscilación cuántica e inversamente proporcional al tiempo de correlación. Las fluctuaciones cuánticas dominan el comportamiento del sistema en la región donde ħω > k _B T , conocida como la región crítica cuántica. Este comportamiento crítico cuántico se manifiesta en un comportamiento físico no convencional e inesperado, como nuevas fases de líquido no fermiónico. Desde un punto de vista teórico, se espera un diagrama de fases como el que se muestra a la derecha: la transición de fase cuántica separa una fase ordenada de una desordenada (a menudo, la fase desordenada a baja temperatura se denomina desorden "cuántico").

A temperaturas suficientemente altas, el sistema se encuentra desordenado y es puramente clásico. Alrededor de la transición de fase clásica, el sistema se rige por fluctuaciones térmicas clásicas (área azul claro). Esta región se estrecha al disminuir la energía y converge hacia el punto crítico cuántico (PCQ). Experimentalmente, la fase "crítica cuántica", que aún se rige por fluctuaciones cuánticas, es la más interesante.

• Transición superconductor-aislante : un tipo de transición de fase cuántica. 
• Fases cuánticas : estados cuánticos de la materia a temperatura cero. 
• Punto crítico cuántico : término utilizado en la física de la materia condensada. 

• Sachdev, Subir (2011). Transiciones de fase cuánticas . Cambridge University Press. (2.ª ed.). ISBN 978-0-521-51468-2.
• Continentino, Mucio (2017). Escalamiento cuántico en sistemas de muchos cuerpos: un enfoque a las transiciones de fase cuánticas . Cambridge University Press. (2.ª ed.). ISBN 978-1-107-15025-6.
• Carr, Lincoln D. (2010). Comprensión de las transiciones de fase cuánticas . CRC Press. ISBN 978-1-4398-0251-9.
• Vojta, Thomas (2000). "Transiciones de fase cuántica en sistemas electrónicos". Annalen der Physik . 9 (6): 403– 440. arXiv : cond-mat/9910514 . Código Bib : 2000AnP...512..403V . doi : 10.1002/1521-3889(200006)9:6 < 403::AID-ANDP403 > 3.0.CO ; 2-R .
• de Souza, Mariano (2020). "Revelando la física de las interacciones mutuas en paramagnetos". Scientific Reports . Vol.  10. doi : 10.1038/s41598-020-64632-x .