三重臨界点

三重臨界点：三相共存の終焉

物性物理学において、三重臨界点とは、三つの異なる相が共存する状態が終了する、相図上の特殊な点です。これは、二つの相が共存する状態が終了する通常の臨界点と対比されます。

通常の臨界点は、例えば水の液相と気相が共存する状態が、臨界点を超えると区別できなくなる点として理解できます。一方、三重臨界点は、三相（例えば、固体、液体、気体）の共存が終結する点です。

成分数と三重臨界点

一成分系では、ギブズの相律により、三相が同時に共存できるのは、三重点と呼ばれる唯一の点においてのみです。そのため、三重臨界点は、少なくとも二成分以上の混合系で初めて現れます。三成分系では、三相共存領域は二次元の領域となり、この領域を二つの臨界線が境界として区切ります。そして、これらの臨界線が一点で交わる場合があり、その交点が三重臨界点となります。

この三重臨界点は、二つの臨界線に属するため、「二重臨界点」とも表現されることがあります。通常の臨界点と三重臨界点の大きな違いは、臨界現象を記述する上での上部臨界次元にあります。通常の臨界点では上部臨界次元は4次元ですが、三重臨界点では3次元へと低下します。このため、三次元系においては、三重臨界点では古典的な臨界指数が適用可能となるのに対し、通常の臨界点ではそうではない場合があります。（ただし、空間次元が2次元以下の系では適用できません）。

実験的検証：四成分系を用いたアプローチ

実験では、熱力学変数を一つ固定するために、四成分系を用いることがしばしばあります。四成分系で熱力学変数を固定することで、三成分系と等価な状況を作り出し、三重臨界点を調べることが容易になります。

超伝導体への応用：ギンツブルグ・ランダウパラメータ

超伝導体の研究において、三重臨界点は重要な役割を果たしています。長らく、超伝導体が一次相転移を起こすのか二次相転移を起こすのかは不明でしたが、1982年にこの問題が解決されました。第一種超伝導体と第二種超伝導体を区別するギンツブルグ・ランダウパラメータκ（kappa）が重要な役割を果たします。κが十分大きい場合、二次相転移を駆動する渦変動が重要となり、三重臨界点が出現します。この三重臨界点は、κがおおよそ0.76/√2の値付近に存在すると予測され、これは第一種超伝導体から第二種超伝導体への転移点（κ=1/√2）よりも少し低い値です。この理論的予測は、2002年のモンテカルロシミュレーションによって確認されました。

まとめ

三重臨界点は、通常の臨界点とは異なる特異な性質を持つ相転移の臨界点です。複数成分系の混合物において観測され、その特異な性質は、超伝導体の相転移の解明など、様々な物理現象の理解に重要な役割を果たしています。今後も、様々な物質系や現象において、三重臨界点の研究が重要な課題として継続していくでしょう。

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