[논문 리뷰] Non-equilibrium phase transitions in condensed matter and cosmology: spinodal decomposition, condensates and defects

D. Boyanovsky, H. J. de Vega외 1명|ArXiv.org|1999. 03. 30.

Material Science and Thermodynamics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 시간에 따라 변화하는 기니즈부르크-랜다우(TDGL) 프레임워크와 대규모 N 장 이론을 사용하여 응집물질 및 천체물리학에서의 비평형 상전이를 조사하며, 두 시스템 모두 스핀오달 분리에 의해 상동적 상관 길이가 증가하는 스케일링 역학을 보임을 보여준다. 주요 결과는 양자장 이론과 천체물리학에서 인과성 제약 조건에 따라 증가하는 상관 길이가 응집물질에서의 정렬된 도메인의 군집화와 유사하게 나타나며, 이는 양자 플럭추에이션의 고전화에 의해 발생하는 결함을 수반한다는 것이다.

ABSTRACT

These lectures address the dynamics of phase ordering out of equilibrium in condensed matter and in quantum field theory in cosmological settings, emphasizing their similarities and differences. In condensed matter we describe the phenomenological approach based on the Time Dependent Ginzburg-Landau (TDGL) description. After a general discussion of the main experimental and theoretical features of phase ordering kinetics and the description of linear (spinodal) instabilities we introduce the scaling hypothesis and show how a dynamical correlation length emerges in the large N limit in condensed matter systems. The large N approximation is a powerful tool in quantum field theory that allows the study of non-perturbative phenomena in a consistent manner. We study the exact solution to the dynamics after a quench in this limit in Minkowski space time and in radiation dominated Friedman-Robertson-Walker Cosmology. There are some remarkable similarities between these very different settings such as the emergence of a scaling regime and of a dynamical correlation length at late times that describe the formation and growth of ordered regions. In quantum field theory and cosmology this length scale is constrained by causality and its growth in time is also associated with coarsening and the onset of a condensate. We provide a density matrix interpretation of the formation of defects and the classicalization of quantum fluctuations.

연구 동기 및 목표

• 비평형 시스템에서 쿨링 이후 상 정렬의 보편적 역학을 이해하기 위해.
• 응집물질( TDGL를 통한)과 우주론적 시공간에서의 양자장 이론에서의 상 정렬 동역학을 비교하기 위해.
• 대규모 N 근사가 두 상황에서 비파erturbative 동역학에 대한 정확한 해를 가능하게 하는 역할을 하는지 조사하기 위해.
• 비평형 양자장 이론에서 위상 결함과 응축체 형성의 기원과 성격을 명확히 하기 위해.
• 양자 플럭추에이션의 고전화 및 결함 형성에 대한 밀도 행렬 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 응집물질 시스템의 상 정렬 동역학을 모델링하기 위해 시간에 따라 변화하는 기니즈부르크-랜다우(TDGL) 방정식의 사용.
• 미ン코프스키 공간과 FRW 시공간에서 스칼라 장 이론의 비파erturbative 동역학을 해결하기 위해 대규모 N 근사의 적용.
• 선형 스핀오달 불안정성을 분석하여 상분리와 도메인 성장의 시작 시점을 규명.
• 성장하는 상관 길이의 늦은 시기 보편적 행동을 묘사하기 위해 스케일링 가정의 도입.
• 대규모 N 근사에서 상관 함수와 상관 길이에 대한 정확한 해를 유도.
• 밀도 행렬 형식을 사용하여 결함 형성을 양자 플럭추에이션의 고전화 과정으로 해석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿨링 이후 응집물질 시스템에서 비평형 상전이가 어떻게 진전되는가? 그리고 정렬된 도메인의 성장은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ2 우주론적 양자장 이론에서의 상 정렬 동역학이 응집물질 시스템의 그것과 어느 정도 유사한가?
• RQ3 대규모 N 근사는 비파erturbative 상 정렬 동역학에 대한 정확한 해를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 응집물질과 우주론적 맥락에서 동적 상관 길이는 어떻게 생성되며, 인과성은 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 결함 형성으로 이어지는 플럭추에이션의 양자-고전 전이 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 응집물질 및 우주론적 시스템 양쪽 모두에서 늦은 시기 동안 동적 상관 길이가 나타나며, 이는 보편적인 스케일링 영역에서 증가한다.
• 대규모 N 근사는 미ン코프스키 공간과 복사 우세한 FRW 시공간에서 비파erturbative 동역학의 정확한 해를 가능하게 한다.
• 우주론적 맥락에서 상관 길이의 성장은 인과성에 의해 제약을 받으며, 그 증가 속도가 제한된다.
• 스핀오달 분리가 정렬된 도메인의 형성에 기여하며, 상관 길이는 시간에 대해 거듭제곱 법칙에 따라 스케일링된다.
• 밀도 행렬 형식에 의해 기술되는 바와 같이, 결함는 양자 플럭추에이션의 고전화에 의해 발생한다.
• 다른 기초 물리학을 바탕으로 하더라도, 응집물질의 군집화 역학과 초기 우주의 상전이 사이에 놀라운 유사성이 발견된다.