準安定状態の物理学と具体例

準安定状態（じゅんあんていじょうたい、英語: metastable state）とは、真の安定状態ではないものの、小さな外乱に対しては安定を保ち、長時間にわたってその状態にとどまることができる物理的な状態を指す。大きなエネルギー的な乱れが与えられると、系は不安定になり、より安定な真の安定状態へと移行する。

準安定状態は非平衡状態の範疇に含まれるため、いつかは真の安定状態へ変化する性質を持つが、その変化に要する時間が極めて長い点が特徴である。

エネルギー障壁と状態の存在

一つの系において、準安定状態は必ずしも1つだけに限定されず、多数存在し得る。準安定状態同士の間、あるいは準安定状態と最安定状態の間には、移行を妨げるエネルギー障壁が存在する。この障壁の高さは系によって異なり、熱などの適切な駆動力が加わることで、障壁を乗り越えてより安定な状態へと移り変わる。

具体的な例

自然界や工業技術の分野において、準安定状態を示す身近な例や物質は多数存在する。

• 過冷却状態：液体が凝固点以下になっても凍結せず、液体の状態を保っている現象。
• 過飽和状態：物質が溶解度を超えて溶け込んでいる状態。
• ガラス状態：液体が結晶化せずに固化した非晶質の状態。
• ダイヤモンド：常温・常圧下における炭素の同素体であり、熱力学的に最も安定なグラファイトに対して準安定状態にある。
• 二酸化チタン（アナターゼ型）：ルチル型へ相転移するまでの準安定な結晶構造。