Vil vi nogensinde kende alle materiens tilstande? I stedet for tre, fem hundrede

Sidste år spredte medierne oplysninger om, at "der er opstået en form for sag", som kunne kaldes superhård eller for eksempel mere bekvem, omend mindre polsk, superhård. Kommer fra laboratorier af videnskabsmænd ved Massachusetts Institute of Technology, er det en slags modsigelse, der kombinerer egenskaberne af faste stoffer og supervæsker - dvs. væsker med nul viskositet.

Fysikere har tidligere forudsagt eksistensen af ​​en supernatant, men indtil videre er der ikke fundet noget lignende i laboratoriet. Resultaterne af undersøgelsen udført af forskere ved Massachusetts Institute of Technology blev offentliggjort i tidsskriftet Nature.

"Et stof, der kombinerer superfluiditet og faste egenskaber, trodser sund fornuft," skrev teamleder Wolfgang Ketterle, professor i fysik ved MIT og 2001 Nobelprisvinder, i avisen.

For at give mening i denne modstridende form for stof manipulerede Ketterles team bevægelsen af ​​atomer i en supersolid tilstand i en anden ejendommelig form for stof kaldet et Bose-Einstein-kondensat (BEC). Ketterle er en af ​​opdagerne af BEC, som gav ham Nobelprisen i fysik.

"Udfordringen var at tilføje noget til kondensatet, som ville få det til at udvikle sig til en form uden for 'atomfælden' og opnå karakteristika af et fast stof," forklarede Ketterle.

Forskerholdet brugte laserstråler i et ultrahøjt vakuumkammer til at kontrollere bevægelsen af ​​atomerne i kondensatet. Det originale sæt lasere blev brugt til at omdanne halvdelen af ​​BEC-atomerne til en anden spin- eller kvantefase. Der blev således oprettet to typer BEC'er. Overførslen af ​​atomer mellem to kondensater ved hjælp af yderligere laserstråler forårsagede spinændringer.

"Yderligere lasere gav atomerne et ekstra energiboost til spin-orbit-kobling," sagde Ketterle. Det resulterende stof skulle ifølge fysikernes forudsigelse have været "superhård", eftersom kondensater med konjugerede atomer i en spin-kredsløb ville være karakteriseret ved spontan "densitetsmodulation". Med andre ord ville stoffets tæthed holde op med at være konstant. I stedet vil det have et fasemønster, der ligner et krystallinsk fast stof.

Yderligere forskning i superhårde materialer kan føre til en bedre forståelse af superfluids og superlederes egenskaber, hvilket vil være afgørende for effektiv energioverførsel. Superhards kan også være nøglen til at udvikle bedre superledende magneter og sensorer.

Ikke aggregeringstilstande, men faser

Er den superhårde tilstand et stof? Svaret givet af moderne fysik er ikke så enkelt. Vi husker fra skolen, at stoffets fysiske tilstand er hovedformen, som stoffet befinder sig i, og bestemmer dets grundlæggende fysiske egenskaber. Et stofs egenskaber bestemmes af arrangementet og adfærden af ​​dets molekyler. Den traditionelle opdeling af stoftilstandene i det XNUMX. århundrede skelner mellem tre sådanne tilstande: fast (fast), flydende (flydende) og gasformig (gas).

Men på nuværende tidspunkt synes stoffets fase at være en mere præcis definition af stoffets eksistensformer. Egenskaberne for legemer i individuelle tilstande afhænger af arrangementet af de molekyler (eller atomer), som disse legemer er sammensat af. Fra dette synspunkt gælder den gamle opdeling i aggregeringstilstande kun for nogle stoffer, da videnskabelig forskning har vist, at det, der tidligere blev betragtet som en enkelt aggregeringstilstand, faktisk kan opdeles i mange faser af et stof, som er forskellige i naturen. partikelkonfiguration. Der er endda situationer, hvor molekyler i samme krop kan arrangeres forskelligt på samme tid.

Desuden viste det sig, at den faste og flydende tilstand kan realiseres på en række forskellige måder. Antallet af stoffaser i systemet og antallet af intensive variable (for eksempel tryk, temperatur), der kan ændres uden en kvalitativ ændring i systemet, er beskrevet af Gibbs faseprincippet.

En ændring i et stofs fase kan kræve tilførsel eller modtagelse af energi – så vil mængden af ​​energi, der strømmer ud, være proportional med massen af ​​stoffet, der ændrer fasen. Nogle faseovergange forekommer dog uden energiinput eller -output. Vi drager en konklusion om faseændringen baseret på den trinvise ændring af nogle mængder, der beskriver denne krop.

I den mest omfattende klassifikation, der er offentliggjort til dato, er der omkring fem hundrede samlede tilstande. Mange stoffer, især dem, der er blandinger af forskellige kemiske forbindelser, kan eksistere samtidigt i to eller flere faser.

Moderne fysik accepterer normalt to faser - flydende og fast, hvor gasfasen er et af tilfældene af den flydende fase. Sidstnævnte omfatter forskellige typer plasma, den allerede nævnte superstrømsfase og en række andre stoftilstande. Faste faser er repræsenteret af forskellige krystallinske former såvel som en amorf form.

Topologisk zawiya

Rapporter om nye "aggregerede tilstande" eller svære at definere faser af materialer har været et konstant repertoire af videnskabelige nyheder i de seneste år. Samtidig er det ikke altid let at tildele nye opdagelser til en af ​​kategorierne. Det superfaste stof, der er beskrevet tidligere, er sandsynligvis en fast fase, men måske har fysikere en anden mening. For nogle år siden i et universitetslaboratorium

I Colorado blev der for eksempel skabt en dråbe af partikler af galliumarsenid - noget flydende, noget fast. I 2015 annoncerede et internationalt hold af forskere ledet af kemiker Cosmas Prasides ved Tohoku University i Japan opdagelsen af ​​en ny stoftilstand, der kombinerer egenskaberne af en isolator, superleder, metal og magnet, og kalder det Jahn-Teller-metallet.

Der er også atypiske "hybride" aggregerede tilstande. For eksempel har glas ikke en krystallinsk struktur og klassificeres derfor nogle gange som en "superkølet" væske. Yderligere - flydende krystaller brugt i nogle skærme; kit - silikonepolymer, plastik, elastisk eller endda skørt, afhængigt af deformationshastigheden; super-klæbrig, selvflydende væske (når den er startet, vil overløbet fortsætte, indtil tilførslen af ​​væske i det øverste glas er opbrugt); Nitinol, en nikkel-titanium formhukommelseslegering, vil rette sig ud i varm luft eller væske, når den bøjes.

Klassifikationen bliver mere og mere kompleks. Moderne teknologier sletter grænserne mellem materiens tilstande. Nye opdagelser bliver gjort. 2016 Nobelprisvinderne - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane og J. Michael Kosterlitz - forbandt to verdener: stof, som er emnet for fysik, og topologi, som er en gren af ​​matematikken. De indså, at der er ikke-traditionelle faseovergange forbundet med topologiske defekter og ikke-traditionelle faser af stof - topologiske faser. Dette førte til en lavine af eksperimentelt og teoretisk arbejde. Denne lavine flyder stadig i et meget hurtigt tempo.

Nogle mennesker ser igen XNUMXD-materialer som en ny, unik tilstand af stof. Vi har kendt denne type nanonetværk - fosfat, stanen, borophen eller endelig den populære grafen - i mange år. De førnævnte nobelprisvindere har især været involveret i den topologiske analyse af disse enkeltlagsmaterialer.

Den gammeldags videnskab om materiens tilstande og materiens faser ser ud til at være nået langt. Langt ud over, hvad vi stadig kan huske fra fysiktimerne.