Metastabiler

Metastabiler Zustand bezeichnet den Zustand eines Systems, der gegenüber kleinen Störungen stabil ist, aber nicht der globale Gleichgewichtszustand ist. In Physik, Chemie und verwandten Disziplinen entspricht dies einem lokalen Minimum der potenziellen Energie (bzw. der freien Energie). Der metastabile Zustand ist durch eine Energabarriere vom stabileren Zustand getrennt; diese Barriere kann unter normalen Bedingungen eine Übergangsrate stark verringern, sodass der Zustand über längere Zeit bestehen bleibt, ohne dass das System das energiegünstigere Minimum erreicht.

Übergänge aus einem metastabilen Zustand erfolgen durch thermische Fluktuationen, die Barriere zu überwinden, oder durch Quanten-Tunneln. Die Lebensdauer eines metastabilen Zustands kann stark variieren, von Mikrosekunden bis Jahren, je nach Temperatur, Barrierehöhe und den zugrundeliegenden Kräften im System.

Beispiele sind überkühlte Flüssigkeiten, die unterhalb des Gefrierpunkts flüssig bleiben, bis eine Nukation stattfindet; metastabile Kristallphasen in Mineralien oder Materialien, die sich langsam in eine stabilere Phase umwandeln; nukleare Isomere wie Technetium-99m, deren metastabler Zustand nach der Freisetzung von Gamma-Strahlung zerfällt; in der Elektronik metastabilität bei Signalen nahe der Taktschwelle in Flip-Flops, wodurch Ausgänge ungeplant unsicher werden; in der Physik und Kosmologie metastabile Vakuumzustände, die über lange Zeiten bestehen können, aber schließlich zu einem energetisch günstigeren Zustand wechseln könnten.

Der Begriff unterscheidet sich von stabilen Zuständen (globales Minimum) und instabilen Zuständen (ohne Barriere). Metastabilität ist oft zeitabhängig und kontextabhängig: In der Praxis kann ein metastabler Zustand als stabil für die Zeitskala einer Beobachtung behandelt werden.