量子臨界点

量子臨界点とは、物質の状態図において絶対零度で連続的な相転移が起こる点である。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、非ゼロ温度相転移をゼロ温度に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、ランダムな熱揺らぎの成長がシステムの物理的状態の変化につながる場合に、非ゼロ温度で起こる。過去数十年にわたる凝縮系物理学の研究では、絶対零度で起こる量子相転移^[1]と呼ばれる新しい種類の相転移が明らかになった。従来の相転移を引き起こす熱揺らぎがない場合、量子相転移はハイゼンベルクの不確定性原理に関連するゼロ点量子揺らぎによって駆動される。

相転移のクラスには、2 つの主なカテゴリがあります。1次相転移では、固体の融解のように、特性が不連続に変化しますが、2 次相転移では、システムの状態が連続的に変化します。2 次相転移は、ますます長い長さスケールでの変動の成長によって特徴付けられます。これらの変動は「臨界変動」と呼ばれます。2次転移が発生する臨界点では、臨界変動はスケール不変であり、システム全体に広がります。非ゼロ温度相転移では、臨界点で発生する変動は古典物理学によって支配されます。これは、量子変動の特性エネルギーが常に特性ボルツマン熱エネルギーよりも小さいためです。 ${\displaystyle k_{B}T}$

量子臨界点では、臨界変動は本質的に量子力学的であり、空間と時間の両方でスケール不変性を示します。臨界変動が相転移の周りの狭い領域に限定される古典的な臨界点とは異なり、量子臨界点の影響は量子臨界点より上の広い温度範囲にわたって感じられるため、量子臨界の効果は絶対零度に達することなく感じられます。量子臨界は、強誘電体転移温度がゼロに抑制される強誘電体で最初に観察されました。

さまざまな金属強磁性体および反強磁性体は、圧力、化学ドーピング、磁場の適用によって磁気転移温度がゼロにまで低下すると、量子臨界挙動を発現することが観察されている。これらの場合、金属の特性は臨界変動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「奇妙な金属」と呼ばれることもある金属状態を形成する。これらの異常な金属状態は、超伝導の発達に顕著な優位性を示すと考えられており、特に注目されている。量子臨界変動は、量子臨界点付近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。^[2]

量子臨界点は、磁化率が零度で発散するときに生じる。偶然にこれが起こる物質は数多くある（CeNi ₂ Ge ₂ ^[3]など）。より一般的には、物質を量子臨界点に調整する必要がある。最も一般的な方法は、零度以外の温度で起こる二次相転移を持つシステムを取り上げて、それを調整することによって行われる。例えば、圧力や磁場を加えたり、化学組成を変えたりすることによってである。CePd ₂ Si ₂がその一例で、^[4]常圧下で約10Kで起こる反強磁性転移は、28,000気圧の圧力を加えることで零度に調整できる。^[5]あまり一般的ではないが、一次転移を量子臨界にすることができる。一次転移は、物質が1つの相から別の相へと不連続に移行するため、通常は臨界変動を示さない。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る。このような終点は発散する磁化率を持ちます。液体相と気体相の間の遷移は対称性の変化を伴わない一次遷移の例であり、臨界終点は臨界乳光と呼ばれる臨界変動によって特徴付けられます。

量子臨界終点は、非ゼロ温度の臨界点がゼロ温度に調整されたときに発生します。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で発生します。} ^[6]この材料は、低温の一次メタ磁性転移を伴うメタ磁性を示し、層の方向に磁場を適用す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。磁場の方向を層に対してほぼ垂直になるように切り替えると、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変動は、非ゼロ温度で臨界磁場から離れた場所でこの材料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、材料の磁気熱膨張はすべて量子臨界変動に応じて変更されます。

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