Phasenübergang

Ein Phasenübergang bezeichnet den Übergang eines Systems von einer Phase in eine andere, der durch Variation externer Parameter wie Temperatur, Druck oder Feldstärke bedingt wird. Er tritt in klassischen Materialien, Magneten, Supraleitern oder Quantenflüssigkeiten auf und lässt sich oft in Phasendiagrammen darstellen, die Phasenräume und Grenzlinien zeigen.

Nach der Ehrenfest-Einteilung unterscheidet man erstens die erste Ordnung: Hier ändert sich die erste Ableitung der freien Energie sprunghaft (zum Beispiel Entropie oder Volumen), es gibt latente Wärme und Phasenkoexistenz an der Grenzlinie. Zweitens Ordnung oder höhere Ordnung: Zweite Ableitungen wie Wärmekapazität, Kompressibilität oder Suszeptibilität sind nicht stetig oder divergieren; der Ordnungparameter ändert sich kontinuierlich, es gibt in der Regel keine Latentwärme, aber charakteristische kritische Phänomene in der Nähe.

Kernbegriffe sind der Ordnungparameter, der das Ausmaß der Symmetriebrechung beschreibt (zum Beispiel Magnetisierung in Ferromagneten) und die kritischen Phänomene nahe dem Übergang, bei denen Fluktuationen über viele Längenskalen auftreten. Phasenübergänge können Endpunkte haben, an denen eine Linie erster Ordnung endet und universelle, skalierte Verhalten auftreten.

Theorien wie die Landau-Theorie verwenden den Ordnungparameter; die Renormierungsgruppe erklärt Universality-Klassen und kritische Exponenten. Quantenphasenübergänge treten bei T = 0 auf, wenn nichtthermische Parameter wie Druck oder Kopplung den Grundzustand verändern.

Typische Beispiele sind der Eis-Wasser-Dampf-Übergang, der Ferromagnetismus-Paramagnetismus-Wechsel bei der Curie-Temperatur und der Übergang in den Supraleitzustand.