النقطة الحرجة الكمومية

النقطة الحرجة الكمومية هي نقطة في مخطط الطور لمادة ما، حيث يحدث انتقال طور مستمر عند الصفر المطلق . وتتحقق هذه النقطة عادةً من خلال كبح مستمر لانتقال طور عند درجة حرارة غير صفرية إلى الصفر المطلق، وذلك بتطبيق ضغط أو مجال كهربائي أو عن طريق التطعيم. تحدث انتقالات الطور التقليدية عند درجات حرارة غير صفرية عندما يؤدي تزايد التقلبات الحرارية العشوائية إلى تغيير في الحالة الفيزيائية للنظام. وقد كشفت أبحاث فيزياء المادة المكثفة خلال العقود القليلة الماضية عن فئة جديدة من انتقالات الطور تُسمى انتقالات الطور الكمومية ^{[ 1 ]} ، والتي تحدث عند الصفر المطلق . في غياب التقلبات الحرارية التي تُحفز انتقالات الطور التقليدية، تُحفز انتقالات الطور الكمومية بواسطة تقلبات نقطة الصفر الكمومية المرتبطة بمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، الذي يربط بين تقلبات الطاقة والزمن. وهذا يعني أن الأس الحرج الديناميكي z الذي يحكم قياس الزمن عند النقطة الحرجة الكمومية يدخل في تعبير القياس للطاقة الحرة، حتى عند درجات حرارة محدودة ^{[ 2 ]} .

ضمن فئة التحولات الطورية ، توجد فئتان رئيسيتان: في التحول الطوري من الرتبة الأولى ، تتغير الخصائص بشكل غير متصل، كما هو الحال في انصهار المواد الصلبة، بينما في التحول الطوري من الرتبة الثانية ، تتغير حالة النظام بشكل متصل. تتميز التحولات الطورية من الرتبة الثانية بنمو التقلبات على نطاقات طولية متزايدة. تُسمى هذه التقلبات "التقلبات الحرجة". عند النقطة الحرجة التي يحدث عندها التحول الطوري من الرتبة الثانية، تكون التقلبات الحرجة ثابتة المقياس وتمتد على كامل النظام. عند التحول الطوري عند درجة حرارة غير صفرية، تخضع التقلبات التي تتطور عند النقطة الحرجة لقوانين الفيزياء الكلاسيكية، لأن الطاقة المميزة للتقلبات الكمومية تكون دائمًا أصغر من الطاقة الحرارية المميزة لبولتزمان.${\displaystyle k_{B}T}$.

عند النقطة الحرجة الكمومية، تكون التقلبات الحرجة كمومية بطبيعتها، وتُظهر ثباتًا في المقياس مكانيًا وزمنيًا. على عكس النقاط الحرجة الكلاسيكية، حيث تقتصر التقلبات الحرجة على منطقة ضيقة حول الانتقال الطوري، يمتد تأثير النقطة الحرجة الكمومية على نطاق واسع من درجات الحرارة فوقها، لذا يُلاحظ تأثيرها دون الوصول إلى الصفر المطلق. وقد رُصدت هذه الظاهرة لأول مرة في المواد الكهروإجهادية ، حيث تنخفض درجة حرارة الانتقال الكهروإجهادي إلى الصفر.

لوحظ أن مجموعة واسعة من المواد المغناطيسية الحديدية والمغناطيسية المضادة للحديد تُظهر سلوكًا حرجًا كميًا عندما تنخفض درجة حرارة انتقالها المغناطيسي إلى الصفر بفعل الضغط أو التطعيم الكيميائي أو المجالات المغناطيسية. في هذه الحالات، تتغير خصائص المعدن جذريًا بفعل التقلبات الحرجة، منحرفةً نوعيًا عن سلوك سائل فيرمي القياسي ، لتُشكّل حالة معدنية تُسمى أحيانًا سائلًا غير فيرمي أو "معدنًا غريبًا". يُعتقد أن السوائل غير الفيرمية مهمة في أبحاث الموصلية الفائقة ، إذ تُشبه عملية تكوينها عملية تكوين بعض الموصلات الفائقة. كما ثبت أن التقلبات الحرجة الكمية تُحفّز تكوين أطوار مغناطيسية غريبة بالقرب من النقاط الحرجة الكمية. ^{[ 3 ]}

تنشأ النقاط الحرجة الكمومية عندما تتباعد قابلية التأثر المغناطيسي عند درجة حرارة الصفر المطلق. يوجد عدد من المواد (مثل CeNi₂Ge₂ _[ ⁴ _] ⁾ حيث يحدث هذا بشكل عفوي. في أغلب الأحيان ، يتطلب الأمر ضبط المادة للوصول إلى نقطة حرجة كمومية. يتم ذلك عادةً عن طريق أخذ نظام ذي انتقال طوري من الدرجة الثانية يحدث عند درجة حرارة غير صفرية ^، وضبطه - على سبيل المثال، بتطبيق ضغط أو مجال مغناطيسي أو تغيير تركيبه الكيميائي. يُعد CePd₂Si₂ _{مثالًا على} ذلك ^{[ 5 ]} ، حيث يمكن ضبط الانتقال المضاد للمغناطيسية، الذي يحدث عند حوالي 10 كلفن تحت الضغط الجوي ، إلى درجة حرارة الصفر المطلق بتطبيق ضغط مقداره 28000 ضغط جوي. ^{[ 6 ]} في حالات أقل شيوعًا، يمكن جعل انتقال من الدرجة الأولى حرجًا كموميًا. لا تُظهر انتقالات الدرجة الأولى عادةً تقلبات حرجة، حيث تنتقل المادة بشكل غير متصل من طور إلى آخر. مع ذلك، إذا لم يتضمن التحول الطوري من الدرجة الأولى تغييرًا في التناظر، فقد يحتوي مخطط الطور على نقطة نهاية حرجة عندها ينتهي التحول الطوري من الدرجة الأولى. تتميز هذه النقطة بقابلية تباعد. يُعد التحول بين الطورين السائل والغازي مثالًا على تحول من الدرجة الأولى دون تغيير في التناظر، وتتميز نقطة النهاية الحرجة بتقلبات حرجة تُعرف باسم التلألؤ الحرج .

تنشأ نقطة النهاية الحرجة الكمومية عندما تُضبط نقطة حرجة _عند درجة حرارة غير صفرية لتصبح عند درجة حرارة الصفر. ومن أفضل الأمثلة المدروسة في هذا السياق معدن الروثينات الطبقي، Sr₃Ru₂O₇، _{في وجود} مجال مغناطيسي. ^{[ 7 ]} تُظهر هذه المادة خاصية المغناطيسية الفائقة مع انتقال مغناطيسي فائق من الدرجة الأولى عند درجات حرارة منخفضة ، حيث تقفز المغنطة عند تطبيق مجال مغناطيسي في اتجاه الطبقات. وتنتهي هذه القفزة عند نقطة نهاية حرجة عند حوالي 1 كلفن. وبتغيير اتجاه المجال المغناطيسي ليصبح عموديًا تقريبًا على الطبقات، تُضبط نقطة النهاية الحرجة لتصبح عند درجة حرارة الصفر عند مجال مغناطيسي يبلغ حوالي 8 تسلا. وتُهيمن التقلبات الحرجة الكمومية الناتجة على الخصائص الفيزيائية لهذه المادة عند درجات حرارة غير صفرية وبعيدًا عن المجال الحرج. وتُظهر المقاومة استجابة غير سائلة فيرمي، وتزداد الكتلة الفعالة للإلكترون، ويتغير التمدد المغناطيسي الحراري للمادة، كل ذلك استجابةً للتقلبات الحرجة الكمومية.

• سيريل دومب (1996). النقطة الحرجة: مقدمة تاريخية للنظرية الحديثة للظواهر الحرجة . تايلور وفرانسيس. ISBN 978-0-7484-0435-3.
• هيرتز، ج. (1976). "الظواهر الحرجة الكمومية". مجلة الفيزياء ب . 14 (3): 1165-1184 . رمز Bibcode : 1976PhRvB..14.1165H . doi : 10.1103/PhysRevB.14.1165 .
• ما كونتينتينو (2001). القياس الكمي في الأنظمة متعددة الأجسام . وورلد ساينتيفيك.
• ب. كولمان؛ أ. ج. سكوفيلد (2005). "الحرجية الكمومية". مجلة نيتشر . 433 (7023): 226-229 . arXiv : cond-mat/0503002 . Bibcode : 2005Natur.433..226C . doi : 10.1038/nature03279 . PMID: 15662409. S2CID : 4394166 .  
• إي جي دالا توري وآخرون  (2010). "الحالات الحرجة الكمومية والانتقالات الطورية في وجود ضوضاء غير متوازنة" . مجلة نيتشر فيزيكس . 6 (10): 806-810 . arXiv : 0908.0868 . Bibcode : 2010NatPh...6..806D . doi : 10.1038/nphys1754 . S2CID 27610619 . 
• كار، لينكولن د. (2010). فهم التحولات الطورية الكمومية . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-1-4398-0251-9.
• ماريانو دي سوزا (2020). "الكشف عن فيزياء التفاعلات المتبادلة في المواد البارامغناطيسية". التقارير العلمية . المجلد  10. doi : 10.1038/s41598-020-64632-x .