NUS-natuurkundigen hebben een theoretisch gedrag ontdekt dat bekend staat als het "kritische huideffect" en beïnvloedt hoe veranderingen tussen verschillende fasen van materie plaatsvinden.

Faseovergangen zijn alomtegenwoordig in de wereld om ons heen, omvattende veelvoorkomende processen zoals invriezen en verdampen. Van bijzonder belang zijn faseovergangen van de tweede orde, waarbij het systeem op het overgangspunt een zogenaamde kritieke toestand bereikt die wordt gekenmerkt door orde op lange afstand en extreme gevoeligheid voor storingen. Een paradigmatisch voorbeeld is de ferromagnetische overgang, waar gecorreleerde spinclusters groter en groter worden naarmate de temperatuur daalt, totdat ze samensmelten tot een enkele geordende fase waarbij alle spins in dezelfde richting wijzen. Door zijn universele en intuïtieve aantrekkingskracht, het concept van kriticiteit is ook doorgedrongen in andere gebieden, zoals het modelleren van crashes op de financiële markten. Als theoretisch concept kriticiteit heeft ook geleid tot vooruitgang in diepgaande onderwerpen zoals conforme veldentheorie, percolatie en fractalen.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof GONG Jiangbin en Prof LEE Ching Hua, beide van het departement Natuurkunde, NUS heeft een nieuwe vorm van kritisch gedrag ontdekt dat bekend staat als het "Critical Skin Effect" (zie afbeelding). Deze ontdekking breidt de reikwijdte van bekende kritische faseovergangen uit naar niet-evenwichtssystemen die, in tegenstelling tot conventionele evenwichtssystemen die worden beheerst door unitaire tijdsevolutie, zijn open systemen die winst of verlies ervaren door hun externe interacties. De laatste tijd, het is algemeen erkend geworden dat niet-evenwichtssystemen dramatische gerichte versterking op lange afstand kunnen ervaren die de kwalitatieve aard van het systeem verandert, in een nieuw fenomeen dat bekend staat als het niet-Hermitiaanse huideffect (NHSE). Dit inspireerde het onderzoeksteam, waaronder Dr. LI Linhu (die onlangs toetrad tot Sun Yat-sen University (Zhuhai), China) en de heer MU Sen (promovendus), om te vragen hoe de wisselwerking tussen de NHSE en kritieke toestand kan leiden tot nieuwe fysica.

Het team ontdekte dat in een niet-evenwichtssysteem, zelfs het veranderen van de systeemgrootte kan de toestand ervan diepgaand beïnvloeden. Bijvoorbeeld, een systeem kan isolerend (gap) zijn bij kleine afmetingen, maar metallic (gapless) bij grotere maten. Of, het kan topologische modi hebben voor bepaalde systeemgroottes, maar niet voor andere. Deze observatie is contra-intuïtief, aangezien we doorgaans niet verwachten dat de introductie van extra sites de kwalitatieve aard van de staat zal veranderen, net zoals een magneet niet spontaan mag demagnetiseren als we hem doormidden snijden. Verder, het concept van de thermodynamische limiet wordt nu in twijfel getrokken, omdat er een nieuwe klasse van toestanden bestaat die steevast zal veranderen als de systeemomvang wordt vergroot tot oneindig.

Prof Lee, die voor het eerst de punten verbond tussen het schijnbaar paradoxale numerieke bewijs, uitgelegd, "Het "Critical Skin Effect" veroorzaakt een paradigmaverschuiving in hoe we denken over kritisch gedrag en orde op lange termijn. Wanneer niet-evenwichtseffecten hun aandeel in langetermijninvloeden bijdragen, we worden gedwongen om bepaalde concepten te herformuleren die gewoonlijk als vanzelfsprekend worden beschouwd, zoals de zogenaamde gegeneraliseerde Brillouin-zone."

interessant, kritische huidtoestanden kunnen zelfs schilfervrij gedrag vertonen terwijl ze exponentieel in de ruimte vervallen, in tegenstelling tot conventionele kritische toestanden die bijna synoniem zijn met ruimtelijk verval van de machtswet. Ze bezitten ook ongebruikelijk grootte-afhankelijk verstrengelings-entropiegedrag, uitdagende gebruikelijke benaderingen voor het karakteriseren van kritieke toestanden door hun verstrengeling entropie schaling.

Prof Gong zei:"In de afgelopen jaren studies van niet-Hermitische verschijnselen vanuit het perspectief van de fysica van de gecondenseerde materie zijn aanzienlijk toegenomen. Aangezien zelfs een bekend concept als kritieke toestanden nu nieuwe betekenissen kan aannemen, we kunnen het ons niet veroorloven om onze verbeelding te beperken over wat er daarna kan komen."

Naast zijn theoretische interesse, deze ontdekking is ook relevant voor toepassingen met detectie- en schakelapparatuur. Bijvoorbeeld, een detectieschakeling kan worden geprogrammeerd om verschillende soorten signalen te detecteren, aangezien de effectieve lengte ervan wordt gevarieerd door middel van schakelaars. Als een proof-of-principle, het team is momenteel van plan om dit nieuwe type kritische faseovergang te demonstreren via elektronische RLC-circuits, waar het gedetailleerde spectrum in kaart kan worden gebracht door middel van "topolaire" impedantiemetingen.