Un punto crítico cuántico es un punto en el diagrama de fases de un material donde tiene lugar una transición de fase continua en el cero absoluto . Un punto crítico cuántico generalmente se logra mediante una supresión continua de una transición de fase de temperatura distinta de cero a temperatura cero mediante la aplicación de una presión, un campo o mediante dopaje. Las transiciones de fase convencionales ocurren a temperaturas distintas de cero cuando el crecimiento de fluctuaciones térmicas aleatorias conduce a un cambio en el estado físico de un sistema. La investigación en física de la materia condensada durante las últimas décadas ha revelado una nueva clase de transiciones de fase llamadas transiciones de fase cuánticas [1] que tienen lugar en el cero absoluto . En ausencia de las fluctuaciones térmicas que desencadenan las transiciones de fase convencionales, las transiciones de fase cuánticas son impulsadas por las fluctuaciones cuánticas de punto cero asociadas con el principio de incertidumbre de Heisenberg .
Dentro de la clase de transiciones de fase , hay dos categorías principales: en una transición de fase de primer orden , las propiedades cambian de manera discontinua, como en la fusión de un sólido, mientras que en una transición de fase de segundo orden , el estado del sistema cambia de manera continua. moda. Las transiciones de fase de segundo orden están marcadas por el crecimiento de fluctuaciones en escalas de longitud cada vez más largas. Estas fluctuaciones se denominan "fluctuaciones críticas". En el punto crítico donde ocurre una transición de segundo orden, las fluctuaciones críticas son invariantes de escala y se extienden por todo el sistema. En una transición de fase de temperatura distinta de cero, las fluctuaciones que se desarrollan en un punto crítico se rigen por la física clásica, porque la energía característica de las fluctuaciones cuánticas es siempre menor que la energía térmica característica de Boltzmann .
En un punto crítico cuántico, las fluctuaciones críticas son de naturaleza mecánica cuántica y exhiben invariancia de escala tanto en el espacio como en el tiempo. A diferencia de los puntos críticos clásicos, donde las fluctuaciones críticas se limitan a una región estrecha alrededor de la transición de fase, la influencia de un punto crítico cuántico se siente en un amplio rango de temperaturas por encima del punto crítico cuántico, por lo que el efecto de la criticidad cuántica se siente sin llegando nunca al cero absoluto. La criticidad cuántica se observó por primera vez en los ferroeléctricos , en los que la temperatura de transición ferroeléctrica se suprime a cero.
Se ha observado que una amplia variedad de ferromagnetos y antiferroimanes metálicos desarrollan un comportamiento cuántico crítico cuando su temperatura de transición magnética se lleva a cero mediante la aplicación de presión, dopaje químico o campos magnéticos. En estos casos, las propiedades del metal se transforman radicalmente por las fluctuaciones críticas, alejándose cualitativamente del comportamiento líquido estándar de Fermi , para formar un estado metálico a veces llamado líquido no Fermi o "metal extraño". Existe un interés particular en estos estados metálicos inusuales, que se cree que exhiben una marcada preponderancia en el desarrollo de la superconductividad . También se ha demostrado que las fluctuaciones críticas cuánticas impulsan la formación de fases magnéticas exóticas en las proximidades de puntos críticos cuánticos. [2]
Los puntos críticos cuánticos surgen cuando una susceptibilidad diverge a temperatura cero. Hay una serie de materiales (como CeNi 2 Ge 2 [3] ) en los que esto ocurre de forma fortuita. Lo más frecuente es que un material tenga que ajustarse a un punto crítico cuántico. Lo más habitual es que esto se haga tomando un sistema con una transición de fase de segundo orden que se produce a una temperatura distinta de cero y ajustándolo (por ejemplo, aplicando presión o un campo magnético o cambiando su composición química). CePd 2 Si 2 es un ejemplo de ello, [4] donde la transición antiferromagnética que se produce a aproximadamente 10 K bajo presión ambiente se puede ajustar a temperatura cero aplicando una presión de 28.000 atmósferas. [5] Con menos frecuencia, una transición de primer orden puede convertirse en crítica cuántica. Las transiciones de primer orden normalmente no muestran fluctuaciones críticas a medida que el material se mueve discontinuamente de una fase a otra. Sin embargo, si la transición de fase de primer orden no implica un cambio de simetría, entonces el diagrama de fases puede contener un punto final crítico donde termina la transición de fase de primer orden. Un criterio de valoración de este tipo tiene una susceptibilidad divergente. La transición entre las fases líquida y gaseosa es un ejemplo de una transición de primer orden sin un cambio de simetría y el punto final crítico se caracteriza por fluctuaciones críticas conocidas como opalescencia crítica .
Un punto final crítico cuántico surge cuando un punto crítico de temperatura distinta de cero se ajusta a temperatura cero. Uno de los ejemplos mejor estudiados ocurre en el metal rutenato en capas, Sr 3 Ru 2 O 7, en un campo magnético. [6] Este material muestra metamagnetismo con una transición metamagnética de primer orden a baja temperatura donde la magnetización salta cuando se aplica un campo magnético dentro de las direcciones de las capas. El salto de primer orden termina en un punto final crítico aproximadamente a 1 kelvin. Al cambiar la dirección del campo magnético para que apunte casi perpendicular a las capas, el punto final crítico se ajusta a temperatura cero en un campo de aproximadamente 8 teslas. Las fluctuaciones cuánticas críticas resultantes dominan las propiedades físicas de este material a temperaturas distintas de cero y lejos del campo crítico. La resistividad muestra una respuesta líquida no Fermi, la masa efectiva del electrón crece y la expansión magnetotérmica del material se modifica, todo en respuesta a las fluctuaciones cuánticas críticas.
