Faasimuutoksiin

Faasimuutokset ovat tilojen välisiä transformaatiota aineessa, joita aiheuttavat ulkoiset kontrollikertoimet kuten lämpötila, paine tai koostumus. Ne kuvaavat, miten aine muuttuu kiinteästä, nesteestä tai kaasusta toiseen tilaan, sekä miten järjestelmät voivat siirtyä magneettisen tai sähköisen tilan kaltaisiin tilamuutoksiin. Yleisiä esimerkkejä ovat veden jäähtyminen ja sulaminen sekä nesteen ja kaasun suhde, mutta faasimuutoksia ilmenee paljon laajemminkin.

Faasimuutokset luokitellaan usein kahteen päätyyppiin. Ensimmäisen kertaluvun faasimuutoksessa vapaaenergian ensimmäinen derivaatta muuttuu epäjatkosti faasin vaihtuessa. Tässä liittyy latenttilämpöä ja faasin rajalla voi esiintyä tilojen yhteiseloa tai hysteresiä. Esimerkkejä ovat sulaminen sekä kiehuminen useiden aineiden kohdalla. Toisen kertaluvun (jatkuva) faasimuutos puolestaan tapahtuu ilman latenttilämpöä: order-parametri muuttuu jatkuvasti, mutta toisen derivaatan arvo voi rikkoutua. Kriittisillä pisteillä korrelaatioetäisyys ja muut suureet voivat käyttäytyä skaalautuvasti, ja ilmiöön liittyy universaalisuus sekä kriittiset eksponentit.

Kvantiiviset faasimuutokset voivat esiintyä nollalämpötilassa tai matalissa lämpötiloissa, kun kvanttuhlaus vaikuttaa tilanmuutokseen. Näitä kutsutaan kvanttifaaseiksi ja ne voivat liittyä esimerkiksi superconductor–insulator- tai Mott-tyyppisiin siirtymiin, joissa vuorovaikutukset ja tunninparametrit muuttuvat.

Tutkimuksessa faasimuutoksia tutkitaan sekä kokeellisesti että teoreettisesti. Mittausmenetelmät kuten kalorimetria, magnetometria, neutron- tai röntgensäteilyn hajonta sekä lämpökapasiteetin ja vasteiden mittaukset auttavat hahmottamaan muutoksen luonnetta. Teoreettisesti käytetään muun muassa Landau’n teoriaa, renormalisaatiokantaa ja universaalisuuden käsitteitä.