In einem kürzlich erschienenen Artikel veröffentlicht In Briefe zur körperlichen ÜberprüfungForscher des Los Alamos National Laboratory bieten eine neue Theorie an, die die Defektdichte bei einer Vielzahl von Phasenübergängen vorhersagt. Die Forschung eröffnet neue Wege zur Erforschung der Defektbildung in Bereichen wie Materialwissenschaft, Hochenergiephysik und Kosmologie.
„Phasenübergänge sind Teil des Alltags und grundlegende Phänomene der Hochenergiephysik, die im frühen Universum unvermeidlich sind“, sagte Fumika Suzuki, Wissenschaftlerin in Los Alamos und Hauptautorin des Artikels. „Unsere Studie zeigt, dass der für Phasenübergänge zweiter Ordnung oder kontinuierliche Phasenübergänge vorgeschlagene Kibble-Zurek-Mechanismus, wenn er mit der Nukleationstheorie integriert wird, erweitert werden kann, um die Defektbildung in einem größeren Bereich von Phasenübergängen vorherzusagen.“
Phasenübergänge erster und zweiter Ordnung
Bei Phasenübergängen erster Ordnung können einige Teile eines Systems vor anderen Teilen in die neue Phase eintreten – denken Sie an kochendes Wasser, bei dem sich beim Verdampfen Dampfblasen bilden. Bei Übergängen zweiter Ordnung geht ein ganzes System auf einmal über. Systeme wie Supraleiter und geladene Supraflüssigkeiten können Phasenübergänge zweiter Ordnung erfahren, die unter dem Einfluss externer Parameter (wie Temperatur oder Feld) Eigenschaften erster Ordnung entwickeln können.
Der Kibble-Zurek-Mechanismus, der nach dem Physiker Wojciech Zurek aus Los Alamos und Co-Autor der Studie benannt ist, sagt die Dichte topologischer Defekte voraus, die aufgrund von Phasenübergängen entstehen, und galt ursprünglich nur für Phasenübergänge zweiter Ordnung.
Doch durch die Integration des Kibble-Zurek-Mechanismus in die Nukleationstheorie, die die Dynamik der Symmetriebrechung bei Phasenübergängen erster Ordnung beschreibt, konnten Suzuki und Zurek den Kibble-Zurek-Mechanismus erweitern, um die Dichte der Defekte vorherzusagen, die bei „abstimmbaren“ Phasenübergängen entstehen, welche Eigenschaften von Phasenübergängen erster und zweiter Ordnung in sich vereinen.
Die Theorie des Teams könnte beispielsweise am Fredericks-Phasenübergang in Flüssigkristallen getestet werden, der kontinuierlich zwischen erster und zweiter Ordnung abgestimmt werden kann.
Mehr Informationen:
Fumika Suzuki et al, Topologische Defektbildung in einem Phasenübergang mit einstellbarer Ordnung, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.241601. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.01259