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Symmetriebruch fern des Gleichgewichts

Der Kibble-Zurek-Mechanismus führt in kolloidalen Monolagen zu lokaler, spontaner Symmetriebrechung.

  • Peter Keim
  • 09 / 2016 Seite: 59

Der Kibble-Zurek-Mechanismus beschreibt für kontinuierliche Phasenübergänge das Auftreten von topologischen Defekten bei endlichen Kühlraten. Er ist auf völlig unterschiedlichen Längenskalen relevant und wurde für die spontane Symmetriebrechung des Higgs-Feldes in kosmologischen Modellen entwickelt. Genauso wichtig ist er aber in kondensierter Materie, z. B. Quantenflüssigkeiten. Mit einem kolloidalen System lässt sich der Kibble-Zurek-Mechanismus auf „atomaren“ Skalen visualisieren und untersuchen.

Fast alle Phasenübergänge sind mit einem Symmetriebruch verbunden, sei es, dass durch ein Mag­netfeld eine Richtung ausgezeichnet ist oder dass die kontinuierlichen Translations- und Rotationssymmetrien einer Flüssigkeit zu diskreten Translations- und Rotationssymmetrien im Kristall gebrochen werden. Symmetrie bedeutet mathematisch die Invarianz unter einer Transformation, sie beschreibt die Menge der Abbildungen, die ein Objekt in sich selber zurückführen. In diesem Sinne hat eine Flüssigkeit im zeitlichen Mittel eine viel höhere Symmetrie als ein Kristall: Sie sieht in allen Richtungen bzw. an allen Orten gleich aus, während das für den Kristall nur entlang weniger diskreter Richtungen und an wenigen diskreten Orten gilt. Die Hochtemperaturphase besitzt eine hohe Symmetrie und wenig Ordnung, thermische Fluktuationen dominieren aufgrund der statistisch verteilten kinetischen Energie der Atome. In der Tieftemperaturphase ist eine (manchmal abstrakte) Symmetrie gebrochen, und thermische Fluktuationen zerstören die Ordnung nicht. Das Mysterium von Phasenübergängen ist, wie sich diese Ordnung aus den Wechselwirkungen der Atome untereinander von selbst generiert, ohne dass sich die Kräfte zwischen den Atomen in der Hoch- und Niedrigtemperaturphase unterscheiden. (...)

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