Vai mēs kādreiz uzzināsim visus matērijas stāvokļus? Trīs, pieci simti vietā

Pērn plašsaziņas līdzekļos izplatījās informācija, ka “ir radusies matērijas forma”, ko varētu saukt par supercietu vai, piemēram, ērtāku, lai arī mazāk poļu – supercietu. Nākot no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta zinātnieku laboratorijām, tā ir sava veida pretruna, kas apvieno cietvielu un superšķidrumu īpašības – t.i. šķidrumi ar nulles viskozitāti.

Fiziķi jau iepriekš prognozēja supernatanta esamību, taču līdz šim nekas līdzīgs laboratorijā nav atrasts. Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta zinātnieku pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Nature.

"Viela, kas apvieno superfluiditāti un cietās īpašības, ir pretrunā veselajam saprātam," raksta grupas vadītājs Volfgangs Keterls, MIT fizikas profesors un 2001. gada Nobela prēmijas laureāts.

Lai saprastu šo pretrunīgo matērijas formu, Keterles komanda manipulēja ar atomu kustību supercietā stāvoklī citā savdabīgā matērijas formā, ko sauc par Bozes-Einšteina kondensātu (BEC). Keterls ir viens no BEC atklājējiem, kas viņam nopelnīja Nobela prēmiju fizikā.

"Izaicinājums bija pievienot kondensātam kaut ko, kas liktu tam attīstīties formā ārpus" atomu slazda" un iegūt cietas vielas īpašības," skaidroja Keterle.

Pētnieku grupa izmantoja lāzera starus īpaši augsta vakuuma kamerā, lai kontrolētu kondensāta atomu kustību. Sākotnējais lāzeru komplekts tika izmantots, lai pārveidotu pusi no BEC atomiem citā griešanās vai kvantu fāzē. Tādējādi tika izveidoti divu veidu BEC. Atomu pārnešana starp diviem kondensātiem ar papildu lāzera staru palīdzību izraisīja griešanās izmaiņas.

"Papildu lāzeri nodrošināja atomiem papildu enerģijas palielinājumu spin-orbītas savienošanai," sacīja Ketterle. Iegūtajai vielai, pēc fiziķu prognozēm, vajadzēja būt "supercietai", jo kondensātus ar konjugētiem atomiem spina orbītā raksturotu spontāna "blīvuma modulācija". Citiem vārdiem sakot, matērijas blīvums vairs nebūtu nemainīgs. Tā vietā tam būs fāzes modelis, kas līdzīgs kristāliskai cietai vielai.

Turpmāka supercieto materiālu izpēte var palīdzēt labāk izprast superšķidrumu un supravadītāju īpašības, kas būs ļoti svarīgas efektīvai enerģijas pārnešanai. Supercieti var būt arī atslēga labāku supravadošu magnētu un sensoru izstrādei.

Nevis agregācijas stāvokļi, bet fāzes

Vai supercietais stāvoklis ir viela? Mūsdienu fizikas sniegtā atbilde nav tik vienkārša. No skolas laikiem atceramies, ka vielas fiziskais stāvoklis ir galvenā forma, kādā viela atrodas un nosaka tās fizikālās pamatīpašības. Vielas īpašības nosaka to veidojošo molekulu izvietojums un uzvedība. Tradicionālais XNUMX. gadsimta matērijas stāvokļu sadalījums izšķir trīs šādus stāvokļus: ciets (ciets), šķidrs (šķidrs) un gāzveida (gāzes).

Tomēr šobrīd šķiet, ka matērijas fāze ir precīzāka matērijas esamības formu definīcija. Ķermeņu īpašības atsevišķos stāvokļos ir atkarīgas no to molekulu (vai atomu) izvietojuma, no kuriem šie ķermeņi sastāv. No šī viedokļa vecais dalījums agregācijas stāvokļos attiecas tikai uz dažām vielām, jo ​​zinātniskie pētījumi ir parādījuši, ka to, kas iepriekš tika uzskatīts par vienu agregācijas stāvokli, faktiski var iedalīt daudzās vielas fāzēs, kas atšķiras pēc būtības. daļiņu konfigurācija. Ir pat situācijas, kad vienā un tajā pašā ķermenī molekulas vienlaikus var izkārtoties dažādi.

Turklāt izrādījās, ka cieto un šķidro stāvokli var realizēt dažādos veidos. Vielas fāžu skaitu sistēmā un intensīvo mainīgo (piemēram, spiedienu, temperatūru) skaitu, kurus var mainīt bez kvalitatīvām izmaiņām sistēmā, raksturo Gibsa fāzes princips.

Vielas fāzes maiņa var prasīt enerģijas piegādi vai saņemšanu – tad izplūstošais enerģijas daudzums būs proporcionāls fāzi mainošās vielas masai. Tomēr dažas fāzes pārejas notiek bez enerģijas ievades vai izvades. Mēs izdarām secinājumu par fāzes maiņu, pamatojoties uz soļu maiņu dažos daudzumos, kas raksturo šo ķermeni.

Plašākajā līdz šim publicētajā klasifikācijā ir aptuveni pieci simti agregātu stāvokļu. Daudzas vielas, īpaši tās, kas ir dažādu ķīmisko savienojumu maisījumi, var pastāvēt vienlaicīgi divās vai vairākās fāzēs.

Mūsdienu fizika parasti pieņem divas fāzes - šķidro un cieto, un gāzes fāze ir viens no šķidrās fāzes gadījumiem. Pēdējie ietver dažāda veida plazmu, jau minēto virsstrāvas fāzi un vairākus citus matērijas stāvokļus. Cietās fāzes attēlo dažādas kristāliskas formas, kā arī amorfa forma.

Topoloģiskā zawiya

Ziņojumi par jauniem "apkopotajiem stāvokļiem" vai grūti definējamām materiālu fāzēm pēdējos gados ir bijis pastāvīgs zinātnisko ziņu repertuārs. Tajā pašā laikā jaunu atklājumu piešķiršana kādai no kategorijām ne vienmēr ir vienkārša. Iepriekš aprakstītā supercietā viela, iespējams, ir cieta fāze, taču, iespējams, fiziķiem ir atšķirīgs viedoklis. Pirms dažiem gadiem universitātes laboratorijā

Piemēram, Kolorādo no gallija arsenīda daļiņām tika izveidots piliens - kaut kas šķidrs, kaut kas ciets. 2015. gadā starptautiska zinātnieku komanda Japānas Tohoku universitātes ķīmiķa Kosmasa Prasidesa vadībā paziņoja par jauna vielas stāvokļa atklāšanu, kas apvieno izolatora, supravadītāja, metāla un magnēta īpašības, nosaucot to par Jahn-Teller metālu.

Ir arī netipiski "hibrīda" agregātu stāvokļi. Piemēram, stiklam nav kristāliskas struktūras, un tāpēc to dažkārt klasificē kā "pārdzesētu" šķidrumu. Tālāk - dažos displejos izmantotie šķidrie kristāli; tepe - silikona polimērs, plastmasa, elastīga vai pat trausla, atkarībā no deformācijas ātruma; īpaši lipīgs, pašplūstošs šķidrums (kad sāksies, pārplūde turpināsies, līdz beidzas šķidruma padeve augšējā glāzē); Nitinols, niķeļa-titāna formas atmiņas sakausējums, saliekts siltā gaisā vai šķidrumā iztaisnosies.

Klasifikācija kļūst arvien sarežģītāka. Mūsdienu tehnoloģijas izdzēš robežas starp matērijas stāvokļiem. Tiek veikti jauni atklājumi. 2016. gada Nobela prēmijas laureāti – Deivids J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane un J. Michael Kosterlics – savienoja divas pasaules: matēriju, kas ir fizikas priekšmets, un topoloģiju, kas ir matemātikas nozare. Viņi saprata, ka pastāv netradicionālas fāžu pārejas, kas saistītas ar topoloģiskiem defektiem, un netradicionālas matērijas fāzes - topoloģiskās fāzes. Tas izraisīja eksperimentālu un teorētisku darbu lavīnu. Šī lavīna joprojām plūst ļoti ātrā tempā.

Daži cilvēki atkal redz XNUMXD materiālus kā jaunu, unikālu matērijas stāvokli. Šāda veida nanotīkli - fosfāts, stanēns, borofēns vai, visbeidzot, populārais grafēns - mēs esam pazīstami jau daudzus gadus. Iepriekš minētie Nobela prēmijas laureāti ir īpaši iesaistīti šo viena slāņa materiālu topoloģiskajā analīzē.

Šķiet, ka vecmodīgā zinātne par matērijas stāvokļiem un matērijas fāzēm ir tikusi tālu. Daudz tālāk par to, ko mēs joprojām varam atcerēties no fizikas stundām.