Jump to content

Механизм Киббла – Зурека

Механизм Киббла-Зурека ( KZM ) описывает неравновесную динамику и образование топологических дефектов в системе, которая подвергается непрерывному фазовому переходу с конечной скоростью. Он назван в честь Тома Киббла , который был пионером в изучении формирования доменной структуры посредством космологических фазовых переходов в ранней Вселенной , и Войцеха Х. Зурека , который связал количество создаваемых дефектов с критическими показателями перехода и его скоростью. — насколько быстро будет пройдена критическая точка.

Основная идея

[ редактировать ]

На основе формализма спонтанного нарушения симметрии Том Киббл развил идею первичных флуктуаций двухкомпонентного скалярного поля типа поля Хиггса . [ 1 ] [ 2 ] Если двухкомпонентное скалярное поле переключается из изотропной и однородной высокотемпературной фазы в стадию с нарушенной симметрией во время охлаждения и расширения очень ранней Вселенной (вскоре после Большого взрыва ), то параметр порядка обязательно не может быть одинаковым в областях, не связаны причинно-следственной связью. Регионы не связаны причинно-следственной связью, если они разделены достаточно далеко (при данном возрасте Вселенной ), что не могут «общаться» даже со скоростью света . Это означает, что симметрия не может быть нарушена глобально. будут разделены доменными стенками Параметр порядка будет принимать разные значения в причинно несвязанных областях, а после дальнейшей эволюции Вселенной домены . В зависимости от симметрии системы и симметрии параметра порядка могут возникать различные типы топологических дефектов, таких как монополи, вихри или текстуры. Долгое время обсуждались вопросы о том, могут ли магнитные монополи быть остатками дефектов в поле Хиггса с нарушенной симметрией. [ 3 ] До сих пор подобные дефекты не наблюдались на горизонте событий видимой Вселенной. Это одна из основных причин (помимо изотропии космического фонового излучения и плоскостности пространства-времени ), почему в настоящее время постулируется инфляционное расширение Вселенной. Во время экспоненциально быстрого расширения в течение первых 10 −30 Во вторую секунду после Большого взрыва все возможные дефекты были настолько размыты, что оказались за горизонтом событий. Сегодня двухкомпонентное первичное скалярное поле обычно называют инфлатоном .

Актуальность в конденсированном состоянии

[ редактировать ]
Синяя кривая показывает расхождение времен корреляции в зависимости от управляющего параметра (например, разницы температур до перехода). Красная кривая показывает время достижения перехода как функцию управляющего параметра для линейных скоростей охлаждения. Точка пересечения отмечает температуру/время, когда система выходит из равновесия и становится неадиабатической.

Войцех Зурек отметил, что те же идеи играют роль при фазовом переходе нормального жидкого гелия в сверхтекучий гелий . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Аналогию между полем Хиггса и сверхтекучим гелием дает двухкомпонентный параметр порядка; сверхтекучий гелий описывается макроскопической квантово-механической волновой функцией с глобальной фазой. В гелии двумя компонентами параметра порядка являются величина и фаза (или действительная и мнимая часть) комплексной волновой функции. Дефекты в сверхтекучем гелии представлены вихревыми линиями, где когерентная макроскопическая волновая функция исчезает внутри ядра. Эти линии представляют собой остатки высокой симметрии внутри фазы с нарушенной симметрией.

Для непрерывного фазового перехода характерно то, что в точке перехода исчезает разность энергий между упорядоченной и неупорядоченной фазой. Это означает, что флуктуации между обеими фазами станут сколь угодно большими. не только длины пространственных корреляций расходятся Для этих критических явлений , но и флуктуации между обеими фазами также становятся сколь угодно медленными во времени, описываемыми расхождением времени релаксации . Если система охлаждается с любой ненулевой скоростью (например, линейно) посредством непрерывного фазового перехода, время достижения перехода в конечном итоге станет короче, чем время корреляции критических флуктуаций. В это время колебания слишком медленны, чтобы следовать за скоростью охлаждения; система вышла из равновесия и перестает быть адиабатической. В это время выпадения снимается «отпечаток пальца» критических флуктуаций, и самая длинная шкала размера домена замораживается. Дальнейшая эволюция системы теперь определяется этим масштабом длины. При очень высоких скоростях охлаждения система выйдет из равновесия очень рано и далеко от перехода. Размер домена будет небольшим. При очень медленных скоростях система выйдет из равновесия в окрестности перехода, когда масштаб критических флуктуаций будет велик, а значит, и размер домена будет большим. [ сноска 1 ] Обратную величину этой шкалы длины можно использовать для оценки плотности топологических дефектов, и она подчиняется степенному закону скорости закалки. Это предсказание является универсальным, и показатель степени выражен через критические показатели перехода.

Вывод плотности дефектов

[ редактировать ]
Экспоненциальная расходимость времен корреляции перехода Костерлица–Таулесса. На вставке слева показана доменная структура двумерного коллоидного монослоя при больших скоростях охлаждения во время выпадения. На правой вставке показана структура для малых скоростей охлаждения (после дополнительного огрубления) на поздних временах.
Размер домена как функция скорости охлаждения в коллоидном монослое. Параметр управления определяется силой взаимодействия в этой системе.

Рассмотрим систему, которая испытывает непрерывный фазовый переход при критическом значении управляющего параметра. Теория критических явлений утверждает, что по мере приближения управляющего параметра к своему критическому значению длина корреляции и время релаксации системы имеют тенденцию алгебраически расходиться с критическим показателем как соответственно. - динамический показатель, который связывает пространственные и временные критические флуктуации.

Механизм Киббла – Зурека описывает неадиабатическую динамику, возникающую в результате управления высокосимметричной (т.е. неупорядоченной) фазой. к фазе нарушенной симметрии (т.е. упорядоченной) при . Если параметр управления изменяется линейно во времени, , приравнивая время до критической точки времени релаксации, получаем время замораживания , Эту временную шкалу часто называют временем замораживания. Это точка пересечения синей и красной кривой на рисунке. Расстояние до перехода, с одной стороны, представляет собой время достижения перехода как функцию скорости охлаждения (красная кривая), а для линейных скоростей охлаждения - одновременно разницу управляющего параметра с критической точкой (синяя кривая). При приближении системы к критической точке она замирает в результате критического торможения и выходит из равновесия. Адиабатичность теряется вокруг . Адиабатичность восстанавливается в фазе нарушенной симметрии после . Длина корреляции в это время обеспечивает шкалу длины для когерентных областей, Размер доменов в фазе нарушенной симметрии задается выражением . Плотность дефектов сразу следует, если - размерность системы, используя

Экспериментальные испытания

[ редактировать ]

Механизм Киббла-Зурека обычно применяется к сценариям спонтанного нарушения симметрии, когда глобальная симметрия нарушается . Для калибровочных симметрий образование дефектов может происходить по механизму Киббла-Зурека и механизму захвата потока, предложенному Хиндмаршем и Раджанти. [ 7 ] [ 8 ] В 2005 году было показано, что KZM также описывает динамику посредством квантового фазового перехода . [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] В 2008 году спонтанные вихри наблюдались при образовании атомных конденсатов Бозе-Эйнштейна, что соответствует механизму Киббла-Зурека. [ 13 ]

Механизм применим и при наличии неоднородностей, [ 14 ] повсеместно встречается в экспериментах с конденсированными средами, как в классических, так и в [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] квантовые фазовые переходы [ 18 ] [ 19 ] и даже в оптике. [ 20 ] Сообщалось о множестве экспериментов, которые можно описать механизмом Киббла – Зурека. [ 21 ] В обзоре Т. Киббла обсуждаются значимость и ограничения различных экспериментов (до 2007 г.). [ 22 ]

Пример в двух измерениях

[ редактировать ]

Система, в которой структурообразование можно непосредственно визуализировать, представляет собой коллоидный монослой, который образует гексагональный кристалл в двух измерениях. Фазовый переход описывается так называемой теорией Костерлица-Таулесса-Гальперина-Нельсона-Янга, в которой трансляционная и ориентационная симметрия нарушаются двумя переходами Костерлица-Таулесса . Соответствующими топологическими дефектами являются дислокации и дисклинации в двух измерениях. Последние представляют собой не что иное, как монополи высокосимметричной фазы в шестикратном директорном поле кристаллических осей. Особенностью переходов Костерлица–Таулесса является экспоненциальное расхождение времен и длин корреляций (вместо алгебраических). Это служит трансцендентному уравнению, которое можно решить численно. На рисунке показано сравнение масштабирования Киббла – Зурека с алгебраическими и экспоненциальными расходимостями. Данные показывают, что механизм Киббла–Зурека работает и для переходов класса универсальности Костерлица–Тулеса. [ 23 ]

  1. ^ В конденсированном состоянии максимальная скорость сигнала определяется не скоростью света, а скоростью звука (или второго звука в случае сверхтекучего гелия).
  1. ^ Киббл, TWB (1976). «Топология космических доменов и струн». Дж. Физ. А: Математика. Ген . 9 (8): 1387–1398. Бибкод : 1976JPhA....9.1387K . дои : 10.1088/0305-4470/9/8/029 .
  2. ^ Киббл, TWB (1980). «Некоторые последствия космологического фазового перехода». Физ. Представитель . 67 (1): 183–199. Бибкод : 1980PhR....67..183K . дои : 10.1016/0370-1573(80)90091-5 .
  3. ^ Гут, АХ (1981). «Инфляционная вселенная: возможное решение проблем горизонта и плоскостности» . Физ. Преподобный Д. 23 (2): 347–356. Бибкод : 1981PhRvD..23..347G . дои : 10.1103/PhysRevD.23.347 .
  4. ^ Журек, WH (1985). «Космологические эксперименты со сверхтекучим гелием?» . Природа . 317 (6037): 505–508. Бибкод : 1985Natur.317..505Z . дои : 10.1038/317505a0 . S2CID   4253800 . Архивировано из оригинала 24 октября 2021 г. Проверено 3 мая 2024 г.
  5. ^ Журек, WH (1993). «Космические струны в лабораторных сверхтекучих средах и топологические остатки других фазовых переходов» . Акта Физ. Пол. Б. 24 : 1301. Архивировано из оригинала 03 мая 2024 г. Проверено 3 января 2013 г.
  6. ^ Журек, WH (1996). «Космологические эксперименты в конденсированных системах». Физ. Представитель . 276 (4): 177–221. arXiv : cond-mat/9607135 . Бибкод : 1996PhR...276..177Z . CiteSeerX   10.1.1.242.1418 . дои : 10.1016/S0370-1573(96)00009-9 . S2CID   8182253 .
  7. ^ Хиндмарш, М.; Раджанти, А. (2000). «Дефектообразование и локальная калибровочная инвариантность». Физ. Преподобный Летт . 85 (22): 4660–3. arXiv : cond-mat/0007361 . Бибкод : 2000PhRvL..85.4660H . дои : 10.1103/PhysRevLett.85.4660 . ПМИД   11082621 . S2CID   1644900 .
  8. ^ Раджанти, А. (2002). «Формирование топологических дефектов в теориях калибровочного поля». Межд. Дж. Мод. Физ. А. 17 (1): 1–43. arXiv : hep-ph/0108159 . Бибкод : 2002IJMPA..17....1R . дои : 10.1142/S0217751X02005426 . S2CID   17356429 .
  9. ^ Дамски, Б. (2005). «Простейшая квантовая модель, поддерживающая механизм Киббла-Зурека создания топологических дефектов: переходы Ландау-Цинера с новой точки зрения». Физ. Преподобный Летт . 95 (3): 035701. arXiv : cond-mat/0411004 . Бибкод : 2005PhRvL..95c5701D . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.035701 . ПМИД   16090756 . S2CID   29037456 .
  10. ^ Журек, WH; Дорнер, Ю.; Золлер, П. (2005). «Динамика квантового фазового перехода». Физ. Преподобный Летт . 95 (10): 105701. arXiv : cond-mat/0503511 . Бибкод : 2005PhRvL..95j5701Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.105701 . ПМИД   16196941 . S2CID   15152437 .
  11. ^ Дзиармага, Дж. (2005). «Динамика квантового фазового перехода: точное решение квантовой модели Изинга». Физ. Преподобный Летт . 95 (24): 245701. arXiv : cond-mat/0509490 . Бибкод : 2005PhRvL..95x5701D . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.245701 . ПМИД   16384394 . S2CID   20437466 .
  12. ^ Полковников, А. (2005). «Универсальная адиабатическая динамика вблизи квантовой критической точки». Физ. Преподобный Б. 72 (16): 161201(R). arXiv : cond-mat/0312144 . Бибкод : 2005PhRvB..72p1201P . дои : 10.1103/PhysRevB.72.161201 . S2CID   119041907 .
  13. ^ Вейлер, Китай; Нили, Т.В.; Шерер, доктор медицинских наук; Брэдли, AS; Дэвис, MJ; Андерсон, БП (2009). «Спонтанные вихри при образовании конденсатов Бозе-Эйнштейна». Природа . 455 (7215): 948–951. arXiv : 0807.3323 . Бибкод : 2008Natur.455..948W . дои : 10.1038/nature07334 . S2CID   459795 .
  14. ^ дель Кампо, А.; Киббл, TWB; Журек, WH (2013). «Причинность и неравновесные фазовые переходы второго рода в неоднородных системах». J. Phys.: Condens. Иметь значение . 25 (40): 404210. arXiv : 1302.3648 . Бибкод : 2013JPCM...25N4210D . дои : 10.1088/0953-8984/25/40/404210 . ПМИД   24025443 . S2CID   45215226 .
  15. ^ Киббл, TWB; Воловик, Г.Е. (1997). «О упорядочении фаз за распространяющимся фронтом перехода второго рода». Письмо в ЖЭТФ . 65 (1): 102. arXiv : cond-mat/9612075 . Бибкод : 1997JETPL..65..102K . дои : 10.1134/1.567332 . S2CID   16499963 .
  16. ^ Журек, WH (2009). «Причинность в конденсатах: серые солитоны как реликты формирования БЭК». Физ. Преподобный Летт . 102 (10): 105702. arXiv : 0902.3980 . Бибкод : 2009PhRvL.102j5702Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.105702 . ПМИД   19392126 . S2CID   44888876 .
  17. ^ дель Кампо, А.; Де Кьяра, Г.; Мориги, Г .; Пленио, МБ; Ретцкер, А. (2010). «Структурные дефекты в ионных цепях за счет гашения внешнего потенциала: неоднородный механизм Киббла-Зурека». Физ. Преподобный Летт . 105 (7): 075701. arXiv : 1002.2524 . Бибкод : 2010PhRvL.105g5701D . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.075701 . ПМИД   20868058 . S2CID   24142762 .
  18. ^ Журек, WH; Дорнер, У. (2008). «Фазовый переход в пространстве: насколько сильно изгибается симметрия, прежде чем она нарушится?». Фил. Пер. Р. Сок. А. 366 (1877): 2953–72. arXiv : 0807.3516 . Бибкод : 2008RSPTA.366.2953Z . дои : 10.1098/rsta.2008.0069 . ПМИД   18534945 . S2CID   17438682 .
  19. ^ Дзиармага, Дж.; Рамс, ММ (2010). «Динамика неоднородного квантового фазового перехода». Нью Дж. Физ . 12 (5): 055007. arXiv : 0904.0115 . Бибкод : 2010NJPh...12e5007D . дои : 10.1088/1367-2630/12/5/055007 . S2CID   119252230 .
  20. ^ Пал, В.; и др. (2017). «Наблюдение диссипативных топологических дефектов с помощью связанных лазеров». Физ. Преподобный Летт . 119 (1): 013902. arXiv : 1611.01622 . Бибкод : 2017PhRvL.119a3902P . doi : 10.1103/PhysRevLett.119.013902 . ПМИД   28731766 .
  21. ^ дель Кампо, А.; Журек, WH (2014). «Универсальность динамики фазового перехода: топологические дефекты из-за нарушения симметрии». Межд. Дж. Мод. Физ. А. 29 (8): 1430018.arXiv : 1310.1600 . Бибкод : 2014IJMPA..2930018D . дои : 10.1142/S0217751X1430018X . S2CID   118873981 .
  22. ^ Киббл, TBW (2007). «Динамика фазовых переходов в лаборатории и Вселенной». Физика сегодня . 60 (9): 47–52. Бибкод : 2007ФТ....60и..47К . дои : 10.1063/1.2784684 .
  23. ^ Дойчлендер, С.; Диллманн, П.; Марет, Г.; Кейм, П. (2015). «Механизм Киббла – Зурека в коллоидных монослоях» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 112 (22): 6925–6930. arXiv : 1503.08698 . Бибкод : 2015PNAS..112.6925D . дои : 10.1073/pnas.1500763112 . ПМК   4460445 . ПМИД   25902492 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 3df69b34950d1b4f5f081374a9eca1cd__1720960980
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/3d/cd/3df69b34950d1b4f5f081374a9eca1cd.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Kibble–Zurek mechanism - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)