الانتقال الطوري الكمي

في الفيزياء ، يُعرف الانتقال الطوري الكمومي ( QPT ) بأنه انتقال طوري بين أطوار كمومية مختلفة ( أطوار المادة عند درجة حرارة الصفر المطلق ). وخلافًا للانتقالات الطورية الكلاسيكية، لا يمكن الوصول إلى الانتقالات الطورية الكمومية إلا بتغيير أحد المعاملات الفيزيائية، كالمجال المغناطيسي أو الضغط، عند درجة حرارة الصفر المطلق . ويصف هذا الانتقال تغيرًا مفاجئًا في الحالة الأرضية لنظام متعدد الأجسام نتيجةً لتقلباته الكمومية.

يمكن أن تكون التحولات الطورية الكمومية من الرتبة الأولى أو الثانية . ^{[ 1 ]} كما يمكن تمثيلها بتحول طوري كمومي لتكثيف الفرميونات الطوبولوجية ، كما في حالة سائل الدوران الكمومي ذي الارتباط القوي . في حالة سائل فيرمي ثلاثي الأبعاد ، يحوّل هذا التحول سطح فيرمي إلى حجم فيرمي. قد يكون هذا التحول من الرتبة الأولى ، لأنه يحوّل البنية ثنائية الأبعاد ( سطح فيرمي ) إلى بنية ثلاثية الأبعاد . ونتيجة لذلك، تتغير الشحنة الطوبولوجية لسائل فيرمي فجأة، لأنها تأخذ قيمة واحدة فقط من مجموعة قيم منفصلة.

لفهم التحولات الطورية الكمومية، من المفيد مقارنتها بالتحولات الطورية الكلاسيكية (CPT) (وتُسمى أيضًا التحولات الطورية الحرارية). ^{[ 2 ]} يصف التحول الطوري الكلاسيكي نقطة تحول في الخصائص الديناميكية الحرارية للنظام، ويشير إلى إعادة تنظيم الجسيمات. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك تحول تجمد الماء الذي يصف الانتقال بين حالتي السائل والصلب. أما التحولات الطورية الكلاسيكية فتنتج عن تنافس بين طاقة النظام وإنتروبيا تقلباته الحرارية. لا يمتلك النظام الكلاسيكي إنتروبيا عند درجة حرارة الصفر المطلق، وبالتالي لا يمكن أن يحدث أي تحول طوري. ويُحدد ترتيب هذه التحولات بالمشتقة الأولى غير المتصلة للجهد الديناميكي الحراري.

على سبيل المثال، يتضمن التحول الطوري من الماء إلى الجليد حرارة كامنة (انقطاع في الطاقة الداخلية).${\displaystyle U}$وهو من الرتبة الأولى. أما التحول الطوري من مادة مغناطيسية حديدية إلى مادة مغناطيسية مسايرة فهو تحول مستمر ومن الرتبة الثانية. (انظر التحول الطوري لتصنيف إهرنفست للتحولات الطورية حسب مشتقة الطاقة الحرة، والتي تكون غير مستمرة عند التحول). تُوصف هذه التحولات المستمرة من طور منظم إلى طور غير منظم بمعامل ترتيب، يساوي صفرًا في الطور غير المنظم، وقيمة غير صفرية في الطور المنظم. بالنسبة للتحول المغناطيسي الحديدي المذكور آنفًا، يُمثل معامل الترتيب المغنطة الكلية للنظام.

على الرغم من أن المتوسط ​​الديناميكي الحراري لمعامل الترتيب يساوي صفرًا في الحالة غير المنتظمة، إلا أن تقلباته يمكن أن تكون غير صفرية وتصبح طويلة المدى في جوار النقطة الحرجة، حيث يتباعد مقياس الطول النموذجي ξ (طول الارتباط) ومقياس زمن اضمحلال التقلبات النموذجي τ _c (زمن الارتباط):

${\displaystyle \xi \propto |\epsilon |^{-\nu }\,\,=\left({\frac {|T-T_{c}|}{T_{c}}}\right)^{-\nu }}$

${\displaystyle \tau _{c}\propto \xi ^{z}\propto |\epsilon |^{-\nu z},}$

أين

${\displaystyle \epsilon ={\frac {T-T_{c}}{T_{c}}}}$

يُعرَّف بأنه الانحراف النسبي عن درجة الحرارة الحرجة T_{_c} . ونُطلق على ν اسم الأس الحرج ( طول الارتباط ) ، وعلى z اسم الأس الحرج الديناميكي . يُوصف السلوك الحرج لانتقالات الطور عند درجات حرارة غير صفرية وصفًا كاملًا بواسطة الديناميكا الحرارية الكلاسيكية ؛ ولا تلعب ميكانيكا الكم أي دور حتى لو كانت الأطوار الفعلية تتطلب وصفًا ميكانيكيًا كميًا (مثل الموصلية الفائقة ).

إن الحديث عن التحولات الطورية الكمومية يعني الحديث عن التحولات عند T = 0: من خلال ضبط معلمة غير درجة الحرارة مثل الضغط أو التركيب الكيميائي أو المجال المغناطيسي، يمكن للمرء أن يقمع على سبيل المثال درجة حرارة انتقال معينة مثل درجة حرارة كوري أو نيل إلى 0 كلفن.

بما أن النظام المتوازن عند درجة حرارة الصفر يكون دائمًا في أدنى حالة طاقة له (أو في حالة تراكب متساوية الوزن إذا كانت أدنى حالة طاقة متحللة)، فلا يمكن تفسير الانتقال الكمومي الطوري بالتقلبات الحرارية . بدلًا من ذلك، فإن التقلبات الكمومية ، الناشئة عن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، هي التي تقود فقدان النظام المميز للانتقال الكمومي الطوري. يحدث هذا الانتقال عند النقطة الحرجة الكمومية ، حيث تتباعد التقلبات الكمومية التي تقود الانتقال وتصبح ثابتة المقياس في المكان والزمان.

على الرغم من أن الصفر المطلق غير قابل للتحقيق فيزيائيًا، إلا أنه يمكن رصد خصائص الانتقال في سلوك النظام عند درجات الحرارة المنخفضة بالقرب من النقطة الحرجة. عند درجات حرارة غير صفرية، تتنافس التقلبات الكلاسيكية ذات مقياس الطاقة k_{_BT} مع التقلبات الكمومية ذات مقياس الطاقة ħω. هنا، ω هو التردد المميز للتذبذب الكمومي ويتناسب عكسيًا مع زمن الارتباط. تهيمن التقلبات الكمومية على سلوك النظام في المنطقة التي يكون فيها ħω > k_{_BT} ، والمعروفة بالمنطقة الحرجة الكمومية. يتجلى هذا السلوك الحرج الكمومي في سلوك فيزيائي غير تقليدي وغير متوقع، مثل أطوار جديدة غير سائلة فيرمية. من وجهة نظر نظرية، يُتوقع مخطط طور مشابه للمخطط الموضح على اليمين: يفصل الانتقال الكمومي الطوري بين طور منظم وآخر غير منظم (غالبًا ما يُشار إلى الطور غير المنظم عند درجات الحرارة المنخفضة باسم "الاضطراب الكمومي").

عند درجات حرارة عالية بما يكفي، يصبح النظام غير منتظم وكلاسيكيًا بحتًا. حول الانتقال الطوري الكلاسيكي، يخضع النظام لتقلبات حرارية كلاسيكية (المنطقة الزرقاء الفاتحة). تضيق هذه المنطقة مع انخفاض الطاقة وتتقارب نحو النقطة الحرجة الكمومية. عمليًا، يُعد الطور "الحرج الكمومي"، الذي لا يزال خاضعًا للتقلبات الكمومية، هو الأكثر إثارة للاهتمام.

• الانتقال من حالة الموصل الفائق إلى حالة العازل – نوع من أنواع الانتقال الطوري الكمومي 
• الأطوار الكمومية – حالات المادة الكمومية عند درجة حرارة الصفر المطلق 
• النقطة الحرجة الكمومية – مصطلح في فيزياء المادة المكثفة 

• ساشديف، سوبير (2011). التحولات الطورية الكمومية . مطبعة جامعة كامبريدج. (الطبعة الثانية). ISBN 978-0-521-51468-2.
• كونتينتينو، موتشيو (2017). التدرج الكمي في الأنظمة متعددة الأجسام: مدخل إلى التحولات الطورية الكمية . مطبعة جامعة كامبريدج. (الطبعة الثانية). ISBN 978-1-107-15025-6.
• كار، لينكولن د. (2010). فهم التحولات الطورية الكمومية . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-1-4398-0251-9.
• فوجتا، توماس (2000). “تحولات الطور الكمي في الأنظمة الإلكترونية”. أنالين دير فيزيك . 9 (6): 403– 440. أرخايف : cond-mat/9910514 . بيب كود : 2000AnP...512..403V . دوى : 10.1002/1521-3889(200006)9:6 < 403::AID-ANDP403 > 3.0.CO ; 2-ر .
• دي سوزا، ماريانو (2020). "الكشف عن فيزياء التفاعلات المتبادلة في المواد البارامغناطيسية". التقارير العلمية . المجلد  10. doi : 10.1038/s41598-020-64632-x .