En ny lektion om faseovergange og kritikalitet

NUS-fysikere har opdaget en teoretisk adfærd kendt som den "kritiske hudeffekt", der påvirker, hvordan ændringer mellem forskellige faser af stof opstår.

Faseovergange er allestedsnærværende i verden omkring os, omfatter almindelige processer som frysning og fordampning. Af særlig interesse er andenordens faseovergange, hvor systemet ved overgangspunktet når en såkaldt kritisk tilstand præget af lang rækkefølge og ekstrem modtagelighed for forstyrrelser. Et paradigmatisk eksempel er den ferromagnetiske overgang, hvor korrelerede spinklynger vokser sig større og større, når temperaturen sænkes, indtil de smelter sammen til en enkelt ordnet fase med alle spins pegende i samme retning. På grund af dens universelle og intuitive appel, begrebet kritik har også gennemsyret andre områder som modellering af finansmarkedskrak. Som et teoretisk begreb, kritik har også inspireret fremskridt inden for dybe emner som konform feltteori, perkolation og fraktaler.

Et forskerhold ledet af professor GONG Jiangbin og professor LEE Ching Hua, både fra Fysisk Institut, NUS har opdaget en ny form for kritisk adfærd kendt som "Critical Skin Effect" (se figur). Denne opdagelse udvider omfanget af kendte kritiske faseovergange til ikke-ligevægtssystemer, som, i modsætning til konventionelle ligevægtssystemer styret af enhedstidsevolution, er åbne systemer, der oplever gevinst eller tab på grund af deres eksterne interaktioner. På det sidste, det er blevet almindeligt anerkendt, at ikke-ligevægtssystemer kan opleve dramatisk styret langdistanceforstærkning, der ændrer systemets kvalitative karakter, i et nyt fænomen kendt som non-hermitian skin effect (NHSE). Dette inspirerede forskerholdet, som omfatter Dr. LI Linhu (som for nylig kom til Sun Yat-sen University (Zhuhai), Kina) og hr. MU Sen (Ph.D.-studerende), at spørge, hvordan samspillet mellem NHSE og kritisk tilstand kan resultere i ny fysik.

Holdet opdagede, at i et ikke-ligevægtssystem, selv ændring af systemstørrelse kan i høj grad påvirke dets tilstand. For eksempel, et system kan være isolerende (gappede) i små størrelser, men metallisk (gabless) i større størrelser. Eller, det kan have topologiske tilstande for visse systemstørrelser, men ikke andre. Denne observation er kontraintuitiv, da vi typisk ikke forventer, at indførelsen af ​​yderligere websteder ændrer statens kvalitative karakter, ligesom en magnet ikke spontant skal afmagnetisere, hvis vi skærer den i to. Desuden, selve konceptet om den termodynamiske grænse sættes nu i tvivl, da der eksisterer en ny klasse af tilstande, som uvægerligt vil blive ændret, efterhånden som systemstørrelsen øges til det uendelige.

Prof Lee, som først forbandt prikkerne mellem de tilsyneladende paradoksale numeriske beviser, forklaret, "Den "Kritiske hudeffekt" fremkalder et paradigmeskifte i, hvordan vi tænker om kritisk adfærd og lang rækkefølge. Når ikke-ligevægtseffekter bidrager med deres del af langsigtede påvirkninger, vi er tvunget til at omformulere visse begreber, der normalt tages for givet, såsom den såkaldte generaliserede Brillouin-zone."

Interessant nok, kritiske hudtilstande kan endda udvise skalafri adfærd, mens de forfalder eksponentielt i rummet, i modsætning til konventionelle kritiske tilstande, som næsten er synonyme med magtlovgivningens rumlige forfald. De har også usædvanlig størrelsesafhængig entanglement-entropi-adfærd, udfordrende sædvanlige tilgange til karakterisering af kritiske tilstande gennem deres entanglement entropi skalering.

Prof Gong sagde, "I de sidste mange år har undersøgelser af ikke-ermitiske fænomener fra perspektivet af kondenseret stof fysik er steget betydeligt. I betragtning af at selv et velkendt begreb som kritiske tilstande nu kan antage nye betydninger, vi har ikke råd til at begrænse vores fantasi om, hvad der kan komme næste gang."

Ud over dens teoretiske interesse, denne opdagelse er også relevant for registrering og skift af enhedsapplikationer. For eksempel, et følekredsløb kan programmeres til at detektere forskellige typer signaler, da dets effektive længde varieres gennem kontakter. Som et bevis på princippet, holdet planlægger i øjeblikket at demonstrere denne nye type kritisk faseovergang gennem elektroniske RLC-kredsløb, hvor det detaljerede spektrum kan kortlægges gennem "topolelektriske" impedansmålinger.