NUS-fysiker har upptäckt ett teoretiskt beteende som kallas den "kritiska hudeffekten" som påverkar hur förändringar mellan olika faser av materia sker.

Fasövergångar är allestädes närvarande i världen omkring oss, som omfattar vanliga processer som frysning och förångning. Av särskilt intresse är andra ordningens fasövergångar, där systemet vid övergångspunkten når ett så kallat kritiskt tillstånd som kännetecknas av långväga ordning och extrem mottaglighet för störningar. Ett paradigmatiskt exempel är den ferromagnetiska övergången, där korrelerade spinnkluster växer sig större och större när temperaturen sänks, tills de smälter samman till en enda ordnad fas med alla snurr pekar i samma riktning. På grund av dess universella och intuitiva tilltal, begreppet kritik har också genomsyrat andra områden som modellering av finansmarknadskrascher. Som ett teoretiskt begrepp, kritik har också inspirerat framsteg inom djupa ämnen som konform fältteori, perkolering och fraktaler.

En forskargrupp ledd av Prof GONG Jiangbin och Prof LEE Ching Hua, både från institutionen för fysik, NUS har upptäckt en ny form av kritiskt beteende som kallas "Critical Skin Effect" (se figur). Denna upptäckt utökar omfattningen av kända kritiska fasövergångar till icke-jämviktssystem som, till skillnad från konventionella jämviktssystem som styrs av enhetlig tidsutveckling, är öppna system som upplever vinst eller förlust på grund av deras externa interaktioner. Nyligen, det har blivit allmänt erkänt att icke-jämviktssystem kan uppleva dramatisk riktad långdistansförstärkning som förändrar systemets kvalitativa natur, i ett nytt fenomen som kallas non-Hermitian skin effect (NHSE). Detta inspirerade forskargruppen, som inkluderar Dr. LI Linhu (som nyligen började på Sun Yat-sen University (Zhuhai), Kina) och MU Sen (doktorand), att fråga hur samspelet mellan NHSE och kritiskt tillstånd kan resultera i ny fysik.

Teamet upptäckte att i ett icke-jämviktssystem, även om systemets storlek ändras kan det djupt påverka dess tillstånd. Till exempel, ett system kan vara isolerande (gap) i små storlekar, men metallisk (gapless) i större storlekar. Eller, den kan ha topologiska lägen för vissa systemstorlekar men inte andra. Denna observation är kontraintuitiv, eftersom vi vanligtvis inte förväntar oss att införandet av ytterligare webbplatser förändrar statens kvalitativa karaktär, precis som en magnet inte ska avmagnetisera spontant om vi skär den på mitten. Vidare, själva konceptet med den termodynamiska gränsen ifrågasätts nu, eftersom det finns en ny klass av tillstånd som alltid kommer att förändras när systemstorleken ökar till oändlighet.

Prof Lee, som först kopplade prickarna mellan de till synes paradoxala numeriska bevisen, förklarade, "Den "kritiska hudeffekten" provocerar fram ett paradigmskifte i hur vi tänker kring kritiskt beteende och ordning på lång räckvidd. När icke-jämviktseffekter bidrar med sin del av långvariga influenser, vi tvingas omformulera vissa begrepp som vanligtvis tas för givna, såsom den så kallade generaliserade Brillouin-zonen."

Intressant, kritiska hudtillstånd kan till och med uppvisa skalfritt beteende medan de förfaller exponentiellt i rymden, i motsats till konventionella kritiska tillstånd som nästan är synonyma med maktlagslig rumslig förfall. De har också ovanligt storleksberoende entanglement-entropibeteende, utmanande vanliga tillvägagångssätt för att karakterisera kritiska tillstånd genom deras entanglement-entropiskalning.

Prof Gong sa, "Under de senaste åren, studier av icke-hermitiska fenomen ur den kondenserade materiens fysik har ökat markant. Med tanke på att även ett välkänt begrepp som kritiska tillstånd nu kan anta nya innebörder, vi har inte råd att begränsa vår fantasi om vad som kan komma härnäst."

Utöver sitt teoretiska intresse, denna upptäckt är också relevant för avkänning och växling av enhetsapplikationer. Till exempel, en avkänningskrets kan programmeras för att detektera olika typer av signaler eftersom dess effektiva längd varieras genom omkopplare. Som ett bevis på principen, teamet planerar för närvarande att demonstrera denna nya typ av kritisk fasövergång genom elektroniska RLC-kretsar, där det detaljerade spektrumet kan kartläggas genom "topolelektriska" impedansmätningar.