En física , una transición de fase cuántica ( QPT ) es una transición de fase 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 acceder variando un parámetro físico, como el 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. Tal transición de fase cuántica puede ser una transición de fase de segundo orden . [1] Las transiciones de fase cuánticas también se pueden representar por la transición de fase cuántica de condensación de fermiones topológica , véase, por ejemplo, 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. Tal 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, ya que toma solo uno de un conjunto discreto de valores.
Para entender las transiciones de fase cuánticas, es útil contrastarlas con las transiciones de fase clásicas (CPT) (también llamadas transiciones de fase térmicas). [2] Una CPT describe un cambio 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 líquido y sólido. Las transiciones de fase clásicas son 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 de agua a hielo, por ejemplo, implica calor latente (una discontinuidad de la energía interna ) y es de primer orden. Una transición de fase de un ferroimán a un paraimán es continua y es de segundo orden. (Véase transición de fase para la clasificación de Ehrenfest de las transiciones de fase por 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 antes 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 la proximidad del punto crítico, donde su escala de longitud típica ξ (longitud de correlación) y su escala de tiempo de decaimiento de fluctuación típica τ c (tiempo de correlación) divergen:
dónde
se define como la desviación relativa de la temperatura crítica T c . Llamamos ν al exponente crítico ( longitud de correlación ) y z al exponente crítico dinámico . El comportamiento crítico de las transiciones de fase de temperatura distinta de cero se describe completamente mediante la termodinámica clásica ; la mecánica cuántica no desempeña 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 en T = 0: ajustando un parámetro no relacionado con 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 Néel, a 0 K.
Como un sistema en equilibrio a temperatura cero está siempre en su estado de energía más baja (o en una superposición igualmente ponderada si la energía más baja está degenerada), una QPT no puede explicarse por fluctuaciones térmicas . En cambio, las fluctuaciones cuánticas , que surgen del principio de incertidumbre de Heisenberg , impulsan la pérdida de orden característica de una QPT. La QPT ocurre en el punto crítico cuántico (QCP), 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 se pueden detectar en el comportamiento del sistema a baja temperatura 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 y es 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 las nuevas fases líquidas no fermianas. Desde un punto de vista teórico, se espera un diagrama de fases como el que se muestra a la derecha: el QPT separa una fase ordenada de una desordenada (a menudo, la fase desordenada de baja temperatura se denomina desordenada "cuántica").
A temperaturas suficientemente altas, el sistema está desordenado y es puramente clásico. Alrededor de la transición de fase clásica, el sistema está gobernado por fluctuaciones térmicas clásicas (zona azul claro). Esta región se estrecha a medida que disminuyen las energías y converge hacia el punto crítico cuántico (QCP). Experimentalmente, la fase "crítica cuántica", que todavía está gobernada por fluctuaciones cuánticas, es la más interesante.
