Ar kada nors sužinosime visas materijos būsenas? Vietoj trijų, penki šimtai

Pernai žiniasklaida pasklido informacija, kad „atsirado materijos forma“, kurią būtų galima pavadinti superkieta arba, pavyzdžiui, patogesne, nors ir ne tokia lenkiška, superkieta. Atkeliauja iš Masačusetso technologijos instituto mokslininkų laboratorijų, tai savotiškas prieštaravimas, apjungiantis kietųjų kūnų ir superskysčių savybes – t.y. skysčiai, kurių klampumas nulinis.

Fizikai anksčiau numatė supernatanto egzistavimą, tačiau kol kas nieko panašaus laboratorijoje nerasta. Masačusetso technologijos instituto mokslininkų tyrimo rezultatai buvo paskelbti žurnale „Nature“.

„Medžiaga, jungianti superskystį ir kietąsias savybes, prieštarauja sveikam protui“, – rašė grupės vadovas Wolfgangas Ketterle, MIT fizikos profesorius ir 2001 m. Nobelio premijos laureatas.

Kad suprastų šią prieštaringą materijos formą, Ketterle komanda manipuliavo superkietos būsenos atomų judėjimu kitoje savotiškoje materijos formoje, vadinamoje Bose-Einstein kondensatu (BEC). Ketterle yra vienas iš BEC atradėjų, pelnęs jam Nobelio fizikos premiją.

„Iššūkis buvo pridėti ką nors į kondensatą, dėl kurio jis išsivystytų į formą, esančią už „atominių spąstų“, ir įgytų kietosios medžiagos savybes“, – paaiškino Ketterle.

Mokslininkų komanda naudojo lazerio spindulius itin didelio vakuumo kameroje, kad kontroliuotų kondensato atomų judėjimą. Pradinis lazerių rinkinys buvo naudojamas pusei BEC atomų paversti skirtingą sukimosi arba kvantinę fazę. Taigi buvo sukurti dviejų tipų BEC. Atomų perkėlimas tarp dviejų kondensatų papildomų lazerio spindulių pagalba sukėlė sukimosi pokyčius.

"Papildomi lazeriai suteikė atomams papildomą energijos padidėjimą sukimosi orbitos sujungimui", - sakė Ketterle. Gauta medžiaga, remiantis fizikų prognozėmis, turėjo būti „superkieta“, nes kondensatai su konjuguotais atomais sukimosi orbitoje pasižymėtų spontaniška „tankio moduliacija“. Kitaip tariant, materijos tankis nustotų būti pastovus. Vietoj to, jo fazės modelis bus panašus į kristalinę kietą medžiagą.

Tolesni itin kietų medžiagų tyrimai gali padėti geriau suprasti superskysčių ir superlaidininkų savybes, kurios bus labai svarbios efektyviam energijos perdavimui. Superkietai taip pat gali būti raktas kuriant geresnius superlaidžius magnetus ir jutiklius.

Ne agregacijos būsenos, o fazės

Ar itin kieta būsena yra medžiaga? Šiuolaikinės fizikos duotas atsakymas nėra toks paprastas. Iš mokyklos laikų prisimename, kad materijos fizinė būsena yra pagrindinė medžiagos buvimo forma ir lemia jos pagrindines fizines savybes. Medžiagos savybes lemia ją sudarančių molekulių išsidėstymas ir elgsena. Tradicinis XVII amžiaus materijos būsenų skirstymas išskiria tris tokias būsenas: kieta (kieta), skysta (skysta) ir dujinė (dujinė).

Tačiau šiuo metu atrodo, kad materijos fazė yra tikslesnis materijos egzistavimo formų apibrėžimas. Kūnų savybės atskirose būsenose priklauso nuo molekulių (ar atomų), iš kurių šie kūnai susideda, išsidėstymo. Šiuo požiūriu senasis skirstymas į agregacijos būsenas galioja tik kai kurioms medžiagoms, nes moksliniai tyrimai parodė, kad tai, kas anksčiau buvo laikoma viena agregacijos būsena, iš tikrųjų gali būti suskirstyta į daugybę medžiagos fazių, kurios skiriasi savo prigimtimi. dalelių konfigūracija. Netgi pasitaiko situacijų, kai tame pačiame kūne molekulės vienu metu gali išsidėstyti skirtingai.

Be to, paaiškėjo, kad kietoji ir skystoji būsenos gali būti realizuojamos įvairiais būdais. Medžiagos fazių skaičius sistemoje ir intensyvių kintamųjų (pavyzdžiui, slėgis, temperatūra), kuriuos galima keisti be kokybinio sistemos pokyčio, skaičius apibūdinamas Gibso fazių principu.

Pasikeitus medžiagos fazei, gali tekti tiekti arba gauti energiją – tuomet ištekančios energijos kiekis bus proporcingas fazę keičiančios medžiagos masei. Tačiau kai kurie fazių perėjimai vyksta be energijos įvesties ar išvesties. Išvadą apie fazės pokytį darome remdamiesi kai kurių dydžių, apibūdinančių šį kūną, laipsnišku pokyčiu.

Plačiausioje iki šiol paskelbtoje klasifikacijoje yra apie penkis šimtus suvestinių būsenų. Daugelis medžiagų, ypač tų, kurios yra skirtingų cheminių junginių mišiniai, gali egzistuoti vienu metu dviem ar daugiau fazių.

Šiuolaikinė fizika paprastai priima dvi fazes – skystąją ir kietąją, o dujinė fazė yra vienas iš skystosios fazės atvejų. Pastarosios apima įvairių tipų plazmą, jau minėtą supersrovės fazę ir daugybę kitų materijos būsenų. Kietosios fazės vaizduojamos įvairiomis kristalinėmis formomis, taip pat amorfine forma.

Topologinė zawiya

Pranešimai apie naujas „suvestines būsenas“ arba sunkiai apibrėžtas medžiagos fazes pastaraisiais metais buvo nuolatinis mokslo naujienų repertuaras. Tuo pačiu metu priskirti naujus atradimus vienai iš kategorijų ne visada lengva. Anksčiau aprašyta superkieta medžiaga tikriausiai yra kieta fazė, bet galbūt fizikai turi kitokią nuomonę. Prieš keletą metų universiteto laboratorijoje

Pavyzdžiui, Kolorado valstijoje iš galio arsenido dalelių buvo sukurtas lašelis – kažkas skysto, kažkas kieto. 2015 metais Japonijos Tohoku universiteto chemiko Cosmas Prasides vadovaujama tarptautinė mokslininkų grupė paskelbė atradusi naują materijos būseną, kuri apjungia izoliatoriaus, superlaidininko, metalo ir magneto savybes, pavadindama ją Jahn-Teller metalu.

Taip pat yra netipinių „hibridinių“ agregatų būsenų. Pavyzdžiui, stiklas neturi kristalinės struktūros, todėl kartais priskiriamas „peršaldomam“ skysčiui. Toliau – kai kuriuose ekranuose naudojami skystieji kristalai; glaistas - silikono polimeras, plastikas, elastingas ar net trapus, priklausomai nuo deformacijos greičio; itin lipnus, savaime tekantis skystis (pradėjus, perpildymas tęsis tol, kol pasibaigs skysčio tiekimas viršutinėje stiklinėje); Nitinolis, nikelio ir titano formos atminties lydinys, ištiesintas šiltame ore ar skystyje, kai sulenkiamas.

Klasifikacija tampa vis sudėtingesnė. Šiuolaikinės technologijos panaikina ribas tarp materijos būsenų. Atliekami nauji atradimai. 2016 metų Nobelio premijos laureatai – Davidas J. Thoulessas, F. Duncanas, M. Haldane'as ir J. Michaelas Kosterlitzas – sujungė du pasaulius: materiją, kuri yra fizikos dalykas, ir topologiją, kuri yra matematikos šaka. Jie suprato, kad egzistuoja netradiciniai fazių perėjimai, susiję su topologiniais defektais, ir netradicinės materijos fazės – topologinės fazės. Tai sukėlė eksperimentinių ir teorinių darbų laviną. Ši lavina vis dar teka labai sparčiai.

Kai kurie žmonės vėl mato XNUMXD medžiagas kaip naują, unikalią materijos būseną. Šį nanotinklų tipą – fosfatą, staneną, borofeną arba, galiausiai, populiarųjį grafeną – žinome jau daugelį metų. Pirmiau minėti Nobelio premijos laureatai visų pirma dalyvavo atliekant šių vieno sluoksnio medžiagų topologinę analizę.

Atrodo, kad senamadiškas mokslas apie materijos būsenas ir materijos fazes nuėjo ilgą kelią. Kur kas daugiau, nei galime prisiminti iš fizikos pamokų.