Quantumfaseovergangen

Quantumfaseovergangen zijn fasetransities die plaatsvinden bij nul kelvin of dicht bij nul temperatuur, wanneer een niet-thermische controleparameter wordt gewijzigd. Voorbeelden van zulke parameters zijn druk, de samenstelling of doping van een materiaal, en het sterkter worden van de interactie of een extern magnetisch veld. De drijvende kracht achter de overgang is vooral quantumfluctuatie van de ordeparameter, in tegenstelling tot thermische fluctuaties die klassieke faseovergangen aandrijven.

Bij een quantumfaseovergang verandert de ordeparameter als gevolg van deze quantumfluctuaties en niet vanwege warmte. Een sleutelbegrip is het quantumkritische punt: een kritische waarde van de controleparameter waarop de orde van de system verandert. Kenmerkend is dat bij T=0 de kritische eigenschappen universaal kunnen zijn en beschreven worden met een dynamisch exponent z en een ruimte-dimensie d, zodat de effectieve dimensie d+z bepalend is voor de kritieke exponents en gedrag. Bij finite temperaturen bestaan er weliswaar geen echte quantumfaseovergangen meer, maar nabij het quantumkritische punt ontstaat een quantumkritisch gebied met bijzondere schaalwetten en niet-klassieke reacties op temperatuur en druk.

Veelvoorkomende voorbeelden zijn de supergeleider-naar-ziek- of isolator-naar-metaal overgangen in dunne films, de Mott-insulator tot metaal overgangen in het Hubbard-model en de overgang van superfluid naar Mott-insulator in ultrakatte atoomsystemen in optische roosters. Ook magnetische quantumfaseovergangen in zware-fermion systemen komen voor.

Experimentele observaties van quantumfaseovergangen vereisen controle op lage temperaturen en nauwkeurige aanpassing van de besturingsparameters, met aandacht voor verstoringen door disorder en finite-size effecten.