Tiedämmekö koskaan kaikki aineen tilat? Kolmen sijaan viisisataa

Viime vuonna tiedotusvälineissä levisi tietoa, että "aineen muoto on syntynyt", jota voitaisiin kutsua superkovaksi tai esimerkiksi kätevämmäksi, vaikkakin vähemmän puolalaiseksi superkovaksi. Massachusetts Institute of Technologyn tutkijoiden laboratorioista kotoisin se on eräänlainen ristiriita, joka yhdistää kiinteiden aineiden ja supernesteiden ominaisuudet - ts. nesteitä, joiden viskositeetti on nolla.

Fyysikot ovat aiemmin ennustaneet supernatantin olemassaolon, mutta toistaiseksi mitään vastaavaa ei ole löydetty laboratoriosta. Massachusetts Institute of Technologyn tutkijoiden tutkimuksen tulokset julkaistiin Nature-lehdessä.

"Aine, joka yhdistää superfluiditeetin ja kiinteät ominaisuudet, uhmaa maalaisjärkeä", ryhmän johtaja Wolfgang Ketterle, MIT:n fysiikan professori ja vuoden 2001 Nobel-palkinnon voittaja kirjoitti paperissa.

Tämän ristiriitaisen aineen muodon ymmärtämiseksi Ketterlen tiimi manipuloi superkiinteässä tilassa olevien atomien liikettä toisessa erikoisessa aineen muodossa, jota kutsutaan Bose-Einstein-kondensaatiksi (BEC). Ketterle on yksi BEC:n löytäjistä, joka ansaitsi hänelle fysiikan Nobelin.

"Haasteena oli lisätä kondensaattiin jotain, joka saisi sen kehittymään "atomiloukun" ulkopuoliseen muotoon ja hankkimaan kiinteän aineen ominaisuudet", Ketterle selitti.

Tutkimusryhmä käytti lasersäteitä ultrakorkeassa tyhjiökammiossa ohjaamaan atomien liikettä kondensaatissa. Alkuperäistä lasersarjaa käytettiin muuttamaan puolet BEC-atomeista eri spin- tai kvanttivaiheeseen. Siten luotiin kahden tyyppisiä BEC:itä. Atomien siirtyminen kahden kondensaatin välillä ylimääräisten lasersäteiden avulla aiheutti spinmuutoksia.

"Lisälaserit antoivat atomeille lisäenergiaa spin-kiertoradan kytkennälle", Ketterle sanoi. Tuloksena olevan aineen olisi fyysikkojen ennusteen mukaan pitänyt olla "superkovaa", koska kondensaatteja, joissa on konjugoituja atomeja spin-kiertoradalla, olisi tunnusomaista spontaani "tiheysmodulaatio". Toisin sanoen aineen tiheys lakkaisi olemasta vakio. Sen sijaan sen faasikuvio on samanlainen kuin kiteinen kiinteä aine.

Superkovien materiaalien lisätutkimus voi johtaa parempaan ymmärtämiseen supernesteiden ja suprajohteiden ominaisuuksista, jotka ovat kriittisiä tehokkaan energiansiirron kannalta. Superkovat voivat myös olla avain parempien suprajohtavien magneettien ja antureiden kehittämiseen.

Ei aggregaatiotiloja, vaan vaiheita

Onko superkova tila aine? Modernin fysiikan antama vastaus ei ole niin yksinkertainen. Muistamme koulusta, että aineen fysikaalinen tila on päämuoto, jossa aine sijaitsee ja määrittää sen fysikaaliset perusominaisuudet. Aineen ominaisuudet määräytyvät sen molekyylien järjestyksen ja käyttäytymisen mukaan. XNUMX-luvun perinteinen aineen tilojen jako erottaa kolme tällaista tilaa: kiinteä (kiinteä), nestemäinen (neste) ja kaasumainen (kaasu).

Kuitenkin tällä hetkellä aineen vaihe näyttää olevan tarkempi määritelmä aineen olemassaolon muodoille. Yksittäisissä tiloissa olevien kappaleiden ominaisuudet riippuvat niiden molekyylien (tai atomien) järjestelystä, joista nämä kappaleet koostuvat. Tästä näkökulmasta katsottuna vanha jako aggregaatiotiloihin pätee vain joidenkin aineiden kohdalla, sillä tieteellinen tutkimus on osoittanut, että se, mitä aiemmin pidettiin yhtenä aggregaatiotilana, voidaan itse asiassa jakaa aineen moniin luonteeltaan erilaisiin vaiheisiin. hiukkasten konfiguraatio. On jopa tilanteita, joissa samassa kehossa olevat molekyylit voivat järjestyä eri tavalla samanaikaisesti.

Lisäksi kävi ilmi, että kiinteät ja nestemäiset tilat voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Aineen faasien lukumäärää järjestelmässä ja intensiivisten muuttujien määrää (esim. paine, lämpötila), joita voidaan muuttaa ilman laadullista muutosta järjestelmässä, kuvataan Gibbsin vaiheperiaatteella.

Aineen faasin muutos voi edellyttää energian syöttämistä tai vastaanottamista - silloin ulos virtaavan energian määrä on verrannollinen vaihetta muuttavan aineen massaan. Jotkut vaihemuutokset tapahtuvat kuitenkin ilman energian syöttöä tai lähtöä. Teemme johtopäätöksen vaihemuutoksesta joidenkin tätä kappaletta kuvaavien suureiden askelmuutoksen perusteella.

Kattavimmassa tähän mennessä julkaistussa luokituksessa on noin viisisataa aggregaattitilaa. Monet aineet, erityisesti ne, jotka ovat eri kemiallisten yhdisteiden seoksia, voivat esiintyä samanaikaisesti kahdessa tai useammassa faasissa.

Nykyaikainen fysiikka hyväksyy yleensä kaksi faasia - nestemäisen ja kiinteän faasin, kaasufaasin ollessa yksi nestefaasin tapauksista. Jälkimmäisiin kuuluvat erilaiset plasmatyypit, jo mainittu supervirtafaasi ja joukko muita aineen tiloja. Kiinteitä faaseja edustavat erilaiset kidemuodot sekä amorfinen muoto.

Topologinen zawiya

Raportit uusista "aggregaattitiloista" tai materiaalien vaikeasti määriteltävissä olevista vaiheista ovat olleet jatkuva tieteellisten uutisten ohjelmisto viime vuosina. Samaan aikaan uusien löytöjen kohdistaminen johonkin kategoriaan ei ole aina helppoa. Aiemmin kuvattu superkiinteä aine on luultavasti kiinteä faasi, mutta ehkä fyysikot ovat eri mieltä. Muutama vuosi sitten yliopiston laboratoriossa

Esimerkiksi Coloradossa galliumarsenidihiukkasista luotiin pisara - jotain nestemäistä, jotain kiinteää. Vuonna 2015 Japanin Tohoku-yliopiston kemisti Cosmas Prasidesin johtama kansainvälinen tutkijaryhmä ilmoitti löytäneensä uuden aineen tilan, jossa yhdistyvät eristimen, suprajohteen, metallin ja magneetin ominaisuudet ja kutsuttiin sitä Jahn-Teller-metalliksi.

On myös epätyypillisiä "hybridi" aggregaattitiloja. Esimerkiksi lasilla ei ole kiteistä rakennetta, ja siksi se luokitellaan joskus "ylijäähdytetyksi" nesteeksi. Lisäksi - joissakin näytöissä käytetyt nestekiteet; kitti - silikonipolymeeri, muovi, elastinen tai jopa hauras muodonmuutosnopeudesta riippuen; supertahmea, itsestään virtaava neste (kun se on alkanut, ylivuoto jatkuu, kunnes ylemmän lasin neste on loppunut); Nitinoli, nikkeli-titaani-muotoinen muistiseos, suoristuu lämpimässä ilmassa tai nesteessä taivutettuna.

Luokittelusta tulee yhä monimutkaisempi. Moderni teknologia poistaa rajat aineen olomuotojen välillä. Uusia löytöjä tehdään. Vuoden 2016 Nobel-palkinnon saajat - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane ja J. Michael Kosterlitz - yhdistivät kaksi maailmaa: aineen, joka on fysiikan aihe, ja topologian, joka on matematiikan haara. He ymmärsivät, että on olemassa ei-perinteisiä faasisiirtymiä, jotka liittyvät topologisiin virheisiin, ja ei-perinteisiä aineen vaiheita - topologisia vaiheita. Tämä johti kokeellisen ja teoreettisen työn vyöryyn. Tämä lumivyöry virtaa edelleen erittäin nopeaa vauhtia.

Jotkut ihmiset näkevät jälleen XNUMXD-materiaalit uutena, ainutlaatuisena aineena. Olemme tunteneet tämän tyyppiset nanoverkot - fosfaatti, staneeni, borofeeni tai lopuksi suosittu grafeeni - monta vuotta. Edellä mainitut Nobel-palkinnon saajat ovat olleet mukana erityisesti näiden yksikerroksisten materiaalien topologisessa analyysissä.

Vanhanaikainen tiede aineen tiloista ja aineen vaiheista näyttää olleen pitkälle. Paljon enemmän kuin mitä voimme vielä muistaa fysiikan tunneista.