ما هي الظاهرة الحرجة في فيزياء الكم

لوصف الظواهر الحرجة أصبح من المعتاد استخدام لغة الأنظمة المغناطيسية، وعلى الرغم من أن مثل هذا العرض يساعد بالتأكيد الحدس المادي، إلا أن العديد من الأنظمة التي تنطبق عليها النظرية غير مغناطيسية، وبالتالي فإن هذه اللغة هي بمعنى ما مجردة تقريبًا مثل لغة نظرية المجال الكمي.

ما هي الظاهرة الحرجة

النقطة الكمية الحرجة هي نقطة في مخطط الطور للمادة، حيث يحدث انتقال طور مستمر عند الصفر المطلق، وعادةً ما يتم الوصول إلى نقطة الكم الحرجة عن طريق قمع مستمر لانتقال طور درجة حرارة غير صفرية إلى درجة حرارة صفر عن طريق تطبيق ضغط أو حقل أو من خلال المنشطات.

تحدث انتقالات الطور التقليدية عند درجة حرارة غير صفرية عندما يؤدي نمو التقلبات الحرارية العشوائية إلى تغيير في الحالة الفيزيائية للنظام، حيث كشفت أبحاث فيزياء المادة المكثفة على مدى العقود القليلة الماضية عن فئة جديدة من انتقالات الطور تسمى انتقالات الطور الكمومي التي تحدث عند الصفر المطلق.

في حالة عدم وجود التقلبات الحرارية التي تؤدي إلى تحولات المرحلة التقليدية، فإن انتقالات الطور الكمومي مدفوعة بتقلبات نقطة الصفر الكمومية المرتبطة بمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.

نظرة عامة عن الظاهرة الحرجة

• ضمن فئة انتقالات الطور هناك فئتان رئيسيتان في انتقال المرحلة من الدرجة الأولى، حيث تتغير الخصائص بشكل متقطع كما هو الحال في ذوبان المواد الصلبة، بينما في مرحلة انتقالية من الدرجة الثانية تتغير حالة النظام بشكل مستمر.

• تتميز انتقالات الطور من الدرجة الثانية بنمو التقلبات في مقاييس الطول الأطول وتسمى هذه التقلبات التقلبات الحرجة، في النقطة الحرجة التي يحدث فيها انتقال من الدرجة الثانية تكون التقلبات الحرجة ثابتة في الحجم ويمتد على النظام بأكمله.

• في مرحلة انتقال غير صفرية لدرجة الحرارة تخضع التقلبات التي تتطور عند نقطة حرجة للفيزياء الكلاسيكية لأن الطاقة المميزة للتقلبات الكمومية تكون دائمًا أصغر من طاقة بولتزمان الحرارية المميزة .

• في نقطة حرجة كمومية تكون التقلبات الحرجة ميكانيكية كمومية بطبيعتها، حيث تظهر ثباتًا في الحجم في كل من المكان والزمان، على عكس النقاط الحرجة الكلاسيكية، حيث تقتصر التقلبات الحرجة على منطقة ضيقة حول انتقال الطور فإن تأثير النقطة الحرجة الكمومية يكون محسوسًا على نطاق واسع من درجات الحرارة فوق النقطة الحرجة الكمومية، لذلك فإن تأثير الحرجة الكمومية يكون محسوسًا بدون من أي وقت مضى تصل إلى الصفر المطلق.

• لوحظت أهمية الكم لأول مرة في الفيروكهربائية، حيث يتم إخماد درجة حرارة التحول الكهروضوئي إلى الصفر.

• لوحظت مجموعة متنوعة من المغناطيسات المعدنية والمغناطيسات المضادة لتطور السلوك الكمي الحرج عندما يتم دفع درجة حرارة التحول المغناطيسي إلى الصفر من خلال تطبيق الضغط أو المنشطات الكيميائية أو المجالات المغناطيسية.

• في هذه الحالات تتغير خصائص المعدن بشكل جذري من خلال التقلبات الحرجة مبتعدة نوعيًا عن سلوك سائل فيرمي القياسي لتشكيل حالة معدنية تسمى أحيانًا سائل غير فيرمي أو معدن غريب، هناك اهتمام خاص بهذه الحالات المعدنية غير العادية والتي يُعتقد أنها تُظهر رجحانًا ملحوظًا نحو تطوير الموصلية الفائقة.

• وقد ثبت أيضًا أن التقلبات الكمية الحرجة تؤدي إلى تكوين أطوار مغناطيسية غريبة بالقرب من النقاط الحرجة في الكم.

نقاط النهاية الحرجة الكمية

تنشأ نقاط الكم الحرجة عندما تتباعد القابلية للتأثر عند درجة حرارة صفر، حيث أن هناك عدد من المواد مثل (CeNi 2 Ge 2) حيث يحدث هذا بالصدفة، وفي كثير من الأحيان يجب ضبط المادة على نقطة حرجة كمومية، ويتم القيام بذلك بشكل شائع عن طريق أخذ نظام مع انتقال طور من الدرجة الثانية والذي يحدث عند درجة حرارة غير صفرية وضبطه على سبيل المثال عن طريق تطبيق ضغط أو مجال مغناطيسي أو تغيير تركيبته الكيميائية.

يعتبر (CeNi 2 Ge 2) أحد الأمثلة، حيث يمكن ضبط الانتقال المغنطيسي المضاد الذي يحدث عند حوالي 10 كلفن تحت الضغط المحيط إلى درجة حرارة صفر عن طريق تطبيق ضغط قدره 28000 من الغلاف الجوي، أقل شيوعًا يمكن جعل الانتقال من الدرجة الأولى حرجًا كميًا، فلا تظهر التحولات من الدرجة الأولى عادةً تقلبات حرجة حيث تتحرك المادة بشكل متقطع من مرحلة إلى أخرى.

ومع ذلك إذا لم يتضمن انتقال المرحلة من الدرجة الأولى تغييرًا في التناظر، فيمكن أن يحتوي مخطط الطور على نقطة نهاية حرجة، حيث ينتهي انتقال المرحلة من الدرجة الأولى، حيث أن نقطة النهاية هذه لها قابلية متباينة، ويعتبر الانتقال بين مرحلتي السائل والغاز مثالاً على انتقال من الدرجة الأولى دون تغيير التماثل، وتتميز نقطة النهاية الحرجة بالتقلبات الحرجة المعروفة باسم البريق الحرج.

تنشأ نقطة النهاية الكمومية الحرجة عندما يتم ضبط نقطة حرجة لدرجة الحرارة غير الصفرية على درجة حرارة صفر، حيث إن أحد أفضل الأمثلة المدروسة يحدث في معدن الروثينات ذي الطبقات (Sr 3 Ru 2 O 7) في مجال مغناطيسي، إذ تُظهر هذه المادة المغناطيسية الفوقية مع انتقال مغناطيسي من الدرجة الأولى بدرجة حرارة منخفضة، حيث يقفز المغناطيس عند تطبيق مجال مغناطيسي في اتجاهات الطبقات.

تنتهي القفزة من الدرجة الأولى في نقطة نهاية حرجة عند حوالي 1 كلفن من خلال تبديل اتجاه المجال المغناطيسي، بحيث يشير بشكل عمودي تقريبًا على الطبقات، حيث يتم ضبط نقطة النهاية الحرجة على درجة حرارة صفر في مجال يبلغ حوالي 8 تسلا.

انتقال الطور الكمي غير المتوازن

الاعتقاد البديهي لتأثير نقطة حرجة كمومية تتأثر بالضوضاء هو أن الضوضاء الخارجية تظهر درجة حرارة فعالة، حيث ستظهر درجة الحرارة الفعالة هذه مقياس طاقة معروفة بشكل واضح في المشكلة وتكسر ثبات مقياس النقطة الحرجة الكمية.

على العكس من ذلك فقد وجد مؤخرًا أن أنواعًا معينة من الضوضاء يمكن أن تؤدي إلى حالة حرجة كمومية غير متوازنة، وتكون هذه الحالة غير متوازنة بسبب تدفق الطاقة المستمر الناتج عن الضوضاء، لكنها لا تزال تحتفظ بالسلوك الثابت للمقياس النموذجي للنقاط الحرجة.

نظرية ظاهرة الكم الحرجة في العازل الطوبولوجي

يدرس العلماء نظريًا ظاهرة الكم الحرجة لانتقال الطور بين العازل التافه والعازل الطوبولوجي بأبعاد (3 + 1)، والتي وصفها ديراك فيرميون مقترن بالمجال الكهرومغناطيسي، حيث تم اشتقاق معادلات مجموعة إعادة التطابق (RG) لثابت الاقتران الجاري \ ألفا وسرعة الضوء ج والإلكترون الخامس.

يتم الحصول على الحلول التحليلية الدقيقة تقريبًا لمعادلات (RG) هذه للكشف عن:

• أن (1) نهج c و v للقيمة المشتركة مع تركيبة c ^ 2v غير مطابقة تقريبًا.

• إن تدفق (RG) لـ ألفا هو نفسه المعتاد (QED).

• c ^ 3 يتم استبداله بـ c ^ 2v.

هناك مقياسان متقاطعان للزخم والطاقة يفصلان ثلاث مناطق من سلوكيات القياس المختلفة، إن الحساسيات العازلة والمغناطيسية هي مطيافية الانبعاث الضوئي الزاوية (ARPES).

تهيمن التقلبات الكمية الحرجة الناتجة على الخصائص الفيزيائية لهذه المادة في درجات حرارة غير صفرية وبعيدًا عن المجال الحرج، حيث تُظهر المقاومة استجابة غير سائل فيرمي وتنمو الكتلة الفعالة للإلكترون، ويتم تعديل التمدد الحراري المغناطيسي للمادة استجابةً للتقلبات الكمية الحرجة.