量子臨界点

量子臨界点とは、物質の相図において絶対零度で連続的な相転移が起こる点のことである。量子臨界点は通常、圧力、電場、またはドーピングの適用によって、非零温度での相転移を零温度まで連続的に抑制することによって達成される。従来の相転移は、ランダムな熱ゆらぎの増大がシステムの物理状態の変化につながる非零温度で発生する。過去数十年にわたる凝縮系物理学の研究により、絶対零度で発生する量子相転移と呼ばれる新しいクラスの相転移が明らかになった^{[ 1 ]}。従来の相転移を引き起こす熱ゆらぎがない場合、量子相転移は、エネルギーと時間のゆらぎを結びつけるハイゼンベルクの不確定性原理に関連する零点量子ゆらぎによって駆動される。これは、量子臨界点における時間のスケーリングを支配する動的臨界指数zが、有限温度であっても自由エネルギーのスケーリング式に現れることを意味する^{[ 2 ]}。

相転移のクラスには、大きく分けて2つのカテゴリーがあります。一次相転移では、固体の融解のように、物性が不連続的に変化します。一方、二次相転移では、系の状態が連続的に変化します。二次相転移は、より長い長さスケールでのゆらぎの増大によって特徴づけられます。これらのゆらぎは「臨界ゆらぎ」と呼ばれます。二次相転移が起こる臨界点では、臨界ゆらぎはスケール不変であり、系全体に広がります。非零温度の相転移では、臨界点で発生するゆらぎは古典物理学によって支配されます。なぜなら、量子ゆらぎの特性エネルギーは常にボルツマン熱エネルギーの特性よりも小さいからです。${\displaystyle k_{B}T}$。

量子臨界点では、臨界ゆらぎは量子力学的な性質を持ち、空間的にも時間的にもスケール不変性を示します。古典的な臨界点では、臨界ゆらぎは相転移付近の狭い領域に限定されますが、量子臨界点の影響は量子臨界点以上の広い温度範囲にわたって及ぶため、絶対零度に達することなく量子臨界性の効果が現れます。量子臨界性は、強誘電体において初めて観測されました。強誘電体では、強誘電相転移温度がゼロに抑制されます。

圧力、化学ドーピング、または磁場の印加によって磁気転移温度がゼロにまで下げられると、さまざまな金属強磁性体および反強磁性体が量子臨界挙動を示すことが観察されている。これらの場合、金属の特性は臨界ゆらぎによって根本的に変化し、標準的なフェルミ液体挙動から質的に逸脱して、非フェルミ液体または「ストレンジメタル」と呼ばれることもある金属状態を形成する。非フェルミ液体は、その形成過程が一部の超伝導体の形成過程に類似しているため、超伝導の研究において重要であると考えられている。量子臨界ゆらぎは、量子臨界点の近傍でエキゾチックな磁気相の形成を促進することも示されている。^{[ 3 ]}

量子臨界点は、磁化率がゼロ温度で発散するときに生じます。このような現象が偶然に起こる材料は数多く存在します（CeNi ₂ Ge ₂ ^{[ 4 ]}など）。より一般的には、材料を量子臨界点に調整する必要があります。最も一般的な方法は、非ゼロ温度で発生する二次相転移を持つ系を取り、圧力や磁場を印加したり、化学組成を変更したりして調整することです。CePd ₂ Si ₂はそのような例です^{[ 5 ]。}常圧下で約 10K で発生する反強磁性転移を、28,000 気圧の圧力を印加することでゼロ温度に調整できます^{[ 6 ]} 。一次相転移を量子臨界にすることはあまりありません。一次相転移では、材料が不連続に一方の相から他方の相に変化する際に、通常は臨界ゆらぎは見られません。しかし、一次相転移が対称性の変化を伴わない場合、相図には一次相転移が終了する臨界終点が含まれることがあります。このような終点は、発散的な感受性を示す。液相と気相間の相転移は、対称性の変化を伴わない一次相転移の一例であり、臨界終点は臨界オパール現象として知られる臨界ゆらぎによって特徴づけられる。

量子臨界終点は、非ゼロ温度の臨界点をゼロ温度に調整したときに生じます。最もよく研​​究されている例の 1 つは、磁場中の層状ルテニウム酸塩金属 Sr ₃ Ru ₂ O _7です。 ^{[ 7 ]}この物質は、低温で一次メタ磁性転移を伴うメタ磁性を示し、磁場が層の方向に印加されると磁化がジャンプします。一次ジャンプは約 1 ケルビンの臨界終点で終了します。磁場の方向を切り替えて、層にほぼ垂直になるようにすると、臨界終点は約 8 テスラの磁場でゼロ温度に調整されます。結果として生じる量子臨界ゆらぎは、非ゼロ温度および臨界磁場から離れたこの物質の物理的特性を支配します。抵抗率は非フェルミ液体応答を示し、電子の有効質量は増加し、物質の磁気熱膨張はすべて量子臨界ゆらぎに応じて変化します。

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