هر روز نمونه‌های فراوانی از گذارهای فاز ِ کلاسیکی و کوانتومی را در طبیعت و زندگی خود می‌بینیم. در زیر نگاهی گذرا خواهیم داشت بر دست‌آوردهای اخیر پژوهش‌گران به روایت مجله‌ی نیچر و نیچر-فیزیک.

بیش‌تر نمونه‌های آشنای گذار فاز با تغییرات دمایی درگیراند؛ مانند آب که وقتی گرم‌ش می‌کنیم، می‌جوشد؛ یا یک دانه‌ی برف که در دستان گرم ما ذوب می‌شود. در آزمایش‌گاه اما باید عوامل کنترلی بیش‌تری را–مانند فشار، تنش، ترکیبات شیمیایی، میدان مغناطیسی و خیلی چیزهای دیگر- که می‌توانند حالت ماده را تغییر دهند، سنجید.

گذارهای فاز در دمای صفر یا گذارهای کوانتومی به طور ویژه‌ای جالب‌اند. معمولا در نزدیکی نقطه‌ی بحرانی برهم‌کنش‌های متفاوتی (مانند جاذبه و دافعه) رقابت می‌کنند؛ بنابراین تغییراتی اندک در عامل کنترل کننده می‌تواند به نفع یک نوع ازنظم (در یک حالت خاص) منجر گردد. افت و خیزها میان این حالت‌ها از نوع کوانتومی‌اند و نسبت به افت‌وخیزهای گرمایی، به شکلی غیرعادی، ناحیه‌ی بزرگ‌تری از نمودار فاز را متاثر می‌کنند. یک نمونه، ترکیب CePd2Si2 (مرجع ۱) است.

در دمای پایین و غیاب فشار، نظم چیره، پادفرومغناطش است اما با وارد آمدن فشار هیدرواستاتیکی برهم‌کنش‌های پادفرومغناطیسی سرکوب می‌شوند. به هر روی، پیش از آن که تمام مغناطش در گذار فاز کوانتومی از میان برود، یک حباب ابررسانایی ظاهر می‌شود. این یک حالت رقابتی است که تنها در شرایطی می‌تواند وجود داشته باشد که مغناطش به شدت کم شده‌باشد اما به نظر می‌رسد که افت و خیزهای اسپینی مربوط به حالت پادفرومغناطش به الکترون‌ها کمک می‌کنند که در حالت ابررسانایی جفت شوند؛ این یک حالت بسیار غیرمتعارف از ابررسانایی‌ست. پیش‌بینی وجود این دست حالت‌های غیرمتعارف کار  دشواری است.

در شرایطی که ما در حل مساله‌ی سه ذره هم با مشکل روبه‌رو هستیم بدیهی‌ست که دریافت یک سامانه‌ی حقیقی ناممکن می‌باشد. پس یک فیزیک‌دان چه‌گونه به یافتن حالت‌های جدید یک ماده می‌پردازد؟

پاول کنفیلد (مرجع۲) تجربه‌های خود در زمینه‌ی بررسی مواد جدید را در صفحه‌ی ۱۶۷ مجله‌ی نیچر به اشتراک گذاشته‌است: تعدادی قوانین سرانگشتی وجود دارند ولی مقدار زیادی شانس هم بی تاثیر نیست!

در صفحه‌ی ۱۷۰ هم دیوید براون (مرجع۳) بحثی را پیرامون موادی غیرمتعارف آورده‌است –ابررسانای دمای بالا. آیا در نمودار فاز چنین موادی یک نقطه‌ی بحرانی کوانتومی وجود دارد؟ شاید.

سوبیر ساچدف (مرجع۴) توضیح می‌دهد که چه‌گونه مکانیک کوانتومی و درهم‌تنیده‌گی مانند ابررسانایی و حالت‌های فلزی خاص که نظریه‌های استاندارد ما را به مبارزه می طلبد، مقاومت های مغناطیسی را تحت تاثیر قرار می دهد. حتی با فیزیک سیاه‌چاله‌ها هم ارتباطی وجود دارد.
ترکیب‌های فرمیونی سنگین این‌گونه‌اند چراکه الکترون‌های جای‌گزیده با الکترون‌های رسانش هیبرید می‌دهند؛ شبه‌ذره‌هایی درست می‌شوند که جرم‌موثرهای‌شان می‌توانند تا هزاران برابر جرم الکترون آزاد برسند (برای معرفی این گروه از ترکیب‌ها –که مثلا CePd2Si2 یکی از آن‌هاست- به صفحه‌ی ۱۸۶ بروید.) 

فیلیپ گجنوارد و هم‌کاران (مرجع۵) نشان می‌دهند که چه‌گونه در سامانه‌های فرمیونی سنگین، افت و خیزهای کوانتومی، به یک حالت پایه‌ی تازه مانند ابررساناهایی غیرعادی و حالت‌های غیرمنتظره‌ی دیگر، می‌انجامند. به لطف فیزیک‌دان‌ها که این روزها بر اتم‌های فروسرد کار می‌کنند، چگالش بوز-آینشتاین (که البته در بسیاری سامانه‌های حجیم مانند 4He مایع و پادفرومغناطیده‌های کوانتومی نیز رخ می‌دهد) بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است. در یک ماده‌ی مغناطیسی، کوانتای برانگیخته‌گی مغناطیسی مگنون خوانده‌ می شود که یک بوزون است.
تیری گیامارچی و هم‌کاران (مرجع۶) مروری دارند بر این‌که چه‌گونه با تنظیم چگالی به کمک میدان مغناطیسی اعمالی، مگنون‌ها چگالیده می‌شوند.

منبع:

http://www.nature.com/nphys/ournal/v4/n3/pdf/nphys898.pdf

مرجع‌ها:

1. Mathur, N. D. et al. Nature 394, 39–43 (1998).
2. Canfield, P. C. Nature Phys. 4, 167–169 (2008).
3. Broun, D. M. Nature Phys. 4, 170–172 (2008).
4. Sachdev, S. Nature Phys. 4, 173–185 (2008).
5. Gegenwart, P., Si, Q. & Steglich, F. Nature Phys. 4, 186–197 (2008).
6. Giamarchi, T., Rüegg, C. & Tchernyshyov, O. Nature Phys. 4, 198–204 (2008).