Kvanttifaasimuutos

Kvanttifaasimuutos on faasimuutos, joka tapahtuu aineen perustilan rakenteessa, tavallisesti nollalämpötilassa tai hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Toisin kuin klassiset faasimuutokset, jotka johtuvat lämpötilan muutoksesta, kvanttifaasimuutokset syntyvät kvanttifluktioista ja pitkän aikavälin korrelaatioista. Muutos saavutetaan säätelemällä kontrolli-parametriä, kuten magneettikenttää, painetta, kemiallista potentiaalia tai tiheyttä, jolloin perustila voi muuttua kvalitatiivisesti.

Kvanttifaasimuutoksia tarkastellaan erityisesti malleissa kuten transversikenttä-Ising-malli, Bose-Hubbard-malli ultrakylmissä atomeissa sekä muissa kvanttima­gneettisissa järjestelmissä. Näissä järjestelmissä perustila siirtyy yhdestä faasista toiseen, energian aukko avautuu tai supistuu ja korrelaatiot kasvavat kriittistä pistettä kohti. Kriittinen piste määrittelee sen parametrin arvon, jolla muutos tapahtuu, ja siihen liittyy universaaleja piirteitä.

Kriittisyyden kuvaus perustuu renormalisaatioon ja kriittisiin eksponentteihin; dynamiikalle ominainen eksponentti z kuvaa ajan ja tilan skaalaamista. Matalan lämpötilan alueella esiintyy kvanttikriittinen alue, jossa ominaisuudet seuraavat kvanttikriittisen skaalautumisen lakeja.

Kokeellisesti kvanttifaasimuutoksia havaitaan muun muassa magneettisten ominaisuuksien ja sähköisten kulkuominaisuuksien mittauksilla, spektrimittauksilla sekä neutronisäteilyn tutkimuksella. Ultrakalvoisissa atomijärjestelmissä parametrit ovat erittäin tarkasti säädettävissä, mikä tekee niistä keskeisen alustan kvanttifaasimuutosten tutkimukselle.

Kvanttifaasimuutos on keskeinen käsite nykyaikaisessa materiaalitieteessä ja kvanttiteknologiassa. Se tarjoaa syvällisen ymmärryksen matalan lämpötilan ilmiöistä sekä mahdollisuuksia kvanttisimulaatioihin ja muihin sovelluksiin.