Переходы, фазы и критические точкиФазовый переход — это общий термин для физических явлений, при которых система переходит из одного состояния в другое в результате изменения температуры. Повседневные примеры — это переход от льда к воде (твердое тело к жидкости) при 0 градусах Цельсия и от воды к пару (от жидкости к газу) при 100 градусах.
Температура, при которой происходит переход, называется критической точкой. Вблизи этого места происходят интересные физические явления. Например, когда вода нагревается, начинают формироваться небольшие газовые области и пузырьки воды.
По мере повышения температуры жидкости до критической точки размер пузырьков газа увеличивается. Когда размер пузыря становится сравнимым с длиной волны света, свет рассеивается, и обычно прозрачная жидкость становится «молочной» — явление, известное как критическая опалесценция.
В последние годы научное сообщество проявляет растущий интерес к квантовым фазовым переходам, при которых система переходит между двумя состояниями при температуре абсолютного нуля (-273 градуса) в результате манипулирования физическим параметром, таким как магнитное поле, давление или химический состав, а не температура. В этих переходах изменение происходит не из-за тепловой энергии, передаваемой системе в результате нагрева, а скорее за счет квантовых флуктуаций. Хотя абсолютный ноль физически недостижим, характеристики перехода можно обнаружить в очень низкотемпературном поведении системы вблизи квантовой критической точки.
К таким характеристикам относятся «квантовые пузыри» одной фазы в другой. Размер и время жизни этих квантовых пузырей увеличиваются по мере того, как система настраивается на критическую точку, что приводит к возникновению квантового эквивалента критической опалесценции.Теоретическое предсказание такой квантовой критичности было сделано несколько десятилетий назад, но как измерить это экспериментально, оставалось загадкой. Профессор Авиад Фридман с факультета физики Университета Бар-Илан и Институт нанотехнологий и перспективных материалов и его ученик Шахар Поран вместе с доктором Оливье Буржуа из CNRS в Гренобле впервые дали ответ.
Создание нано-батутаПри нормальных фазовых переходах существует уникальная измеряемая величина, которая используется для обнаружения критической точки. Это удельная теплоемкость, которая измеряет количество тепловой энергии, которая должна быть подана в систему, чтобы повысить ее температуру на один градус.
Повышение температуры системы на два градуса требует вдвое больше энергии, чем требуется для ее увеличения на один градус. Однако близко к фазовому переходу это уже не так. Большая часть энергии тратится на создание пузырьков (или колебаний), и, следовательно, необходимо вкладывать больше энергии, чтобы вызвать аналогичное изменение температуры.
В результате удельная теплоемкость повышается вблизи критической точки, и ее измерение дает информацию о колебаниях.Измерение теплоемкости системы вблизи квантовой критической точки представляет собой гораздо более сложную задачу. Во-первых, измерения нужно проводить при низких температурах.
Во-вторых, исследуемые системы представляют собой нанотонкие слои, требующие чрезвычайно чувствительных измерений. Группа Фридмана преодолела эти препятствия, разработав уникальную экспериментальную схему, основанную на тонкой мембране, подвешенной в воздухе на очень узких перемычках, тем самым сформировав «нано-батут».
Эта установка позволяла измерять теплоемкость тонких пленок посредством квантового фазового перехода из сверхпроводящего состояния в электрически изолирующее состояние, близкое к температуре абсолютного нуля.Измерение, проведенное группой Фридмана, является первым в своем роде. Результаты демонстрируют, что так же, как и в случае теплового фазового перехода, теплоемкость аналогичным образом увеличивается в окрестности квантовой критической точки и может использоваться в качестве зонда квантовой критичности. Ожидается, что эта работа станет важной вехой в понимании физических процессов, которые определяют поведение ультратонких систем при сверхнизких температурах.
В ближайшие недели профессор Фридман представит это исследование на нескольких международных конференциях. Исследование было поддержано Лабораторией совершенства LANEF в Гренобле (ANR-10-LABX-51-01) для профессора Фридмана.