Kommer vi någonsin att känna till alla materiens tillstånd? Istället för tre, femhundra
Förra året cirkulerade media att det "har uppstått en form av materia" som skulle kunna kallas superhård eller till exempel bekvämare, om än mindre polsk, superhård. Kommer från laboratorier av forskare vid Massachusetts Institute of Technology, är det en slags motsägelse som kombinerar egenskaperna hos fasta ämnen och supervätskor - d.v.s. vätskor med noll viskositet.
Fysiker har tidigare förutspått förekomsten av en supernatant, men hittills har inget liknande hittats i laboratoriet. Resultaten av studien av forskare vid Massachusetts Institute of Technology publicerades i tidskriften Nature.
"Ett ämne som kombinerar superfluiditet och fasta egenskaper trotsar sunt förnuft", skrev teamledaren Wolfgang Ketterle, MIT-professor i fysik och 2001 års Nobelpristagare, i tidningen.
För att förstå denna motsägelsefulla form av materia manipulerade Ketterles team atomernas rörelse i ett supersolid tillstånd i en annan speciell form av materia som kallas ett Bose-Einstein-kondensat (BEC). Ketterle är en av upptäckarna av BEC, som gav honom Nobelpriset i fysik.
"Utmaningen var att tillföra något till kondensatet som skulle få det att utvecklas till en form utanför "atomfällan" och få egenskaperna hos en fast substans," förklarade Ketterle.
Forskargruppen använde laserstrålar i en ultrahög vakuumkammare för att kontrollera rörelsen av atomerna i kondensatet. Den ursprungliga uppsättningen lasrar användes för att omvandla hälften av BEC-atomerna till en annan spin- eller kvantfas. Således skapades två typer av BEC. Överföringen av atomer mellan två kondensat med hjälp av ytterligare laserstrålar orsakade spinnförändringar.
"Ytterligare lasrar gav atomerna en extra energiökning för spin-omloppskoppling," sa Ketterle. Den resulterande substansen, enligt fysikens förutsägelse, borde ha varit "superhård", eftersom kondensat med konjugerade atomer i en spinnbana skulle kännetecknas av spontan "densitetsmodulering". Med andra ord skulle materiens densitet upphöra att vara konstant. Istället kommer det att ha ett fasmönster som liknar ett kristallint fast ämne.
Ytterligare forskning om superhårda material kan leda till en bättre förståelse av egenskaperna hos supervätskor och supraledare, vilket kommer att vara avgörande för effektiv energiöverföring. Superhårda enheter kan också vara nyckeln till att utveckla bättre supraledande magneter och sensorer.
Inte aggregationstillstånd, utan faser
Är det superhårda tillståndet ett ämne? Svaret från modern fysik är inte så enkelt. Vi minns från skolan att materiens fysiska tillstånd är den huvudsakliga form som ämnet befinner sig i och bestämmer dess grundläggande fysiska egenskaper. Ett ämnes egenskaper bestäms av arrangemanget och beteendet hos dess ingående molekyler. Den traditionella uppdelningen av XNUMX-talets materiatillstånd skiljer tre sådana tillstånd: fast (fast), flytande (flytande) och gasformig (gas).
Men för närvarande verkar materiens fas vara en mer exakt definition av materiens existensformer. Egenskaperna hos kroppar i individuella tillstånd beror på arrangemanget av molekylerna (eller atomerna) som dessa kroppar består av. Ur denna synvinkel gäller den gamla uppdelningen i aggregationstillstånd endast för vissa ämnen, eftersom vetenskaplig forskning har visat att det som tidigare ansågs vara ett enda aggregationstillstånd faktiskt kan delas in i många faser av ett ämne som skiljer sig till sin natur. partikelkonfiguration. Det finns till och med situationer när molekyler i samma kropp kan ordnas på olika sätt samtidigt.
Dessutom visade det sig att de fasta och flytande tillstånden kan realiseras på en mängd olika sätt. Antalet faser av materia i systemet och antalet intensiva variabler (till exempel tryck, temperatur) som kan ändras utan en kvalitativ förändring i systemet beskrivs av Gibbs fasprincip.
En förändring i ett ämnes fas kan kräva tillförsel eller mottagande av energi - då blir mängden energi som strömmar ut proportionell mot massan av ämnet som ändrar fasen. Vissa fasövergångar inträffar dock utan energiinmatning eller -utgång. Vi drar en slutsats om fasförändringen utifrån en stegförändring i några kvantiteter som beskriver denna kropp.
I den hittills mest omfattande klassificeringen finns cirka femhundra aggregerade tillstånd. Många ämnen, särskilt de som är blandningar av olika kemiska föreningar, kan existera samtidigt i två eller flera faser.
Modern fysik accepterar vanligtvis två faser - flytande och fast, där gasfasen är ett av fallen av flytande fas. De senare inkluderar olika typer av plasma, den redan nämnda superströmfasen och ett antal andra materiatillstånd. Fasta faser representeras av olika kristallina former, såväl som en amorf form.
Topologiska zawiya
Rapporter om nya "aggregattillstånd" eller svårdefinierade faser av material har varit en konstant repertoar av vetenskapliga nyheter de senaste åren. Samtidigt är det inte alltid lätt att tilldela nya upptäckter till en av kategorierna. Det superfasta ämne som beskrivits tidigare är förmodligen en fast fas, men kanske fysiker har en annan uppfattning. För några år sedan i ett universitetslaboratorium
I Colorado, till exempel, skapades en droppe av partiklar av galliumarsenid - något flytande, något fast. År 2015 tillkännagav ett internationellt team av forskare under ledning av kemisten Cosmas Prasides vid Tohoku University i Japan upptäckten av ett nytt materiatillstånd som kombinerar egenskaperna hos en isolator, supraledare, metall och magnet, kallar den Jahn-Teller-metallen.
Det finns också atypiska "hybrid" aggregattillstånd. Till exempel har glas inte en kristallin struktur och klassificeras därför ibland som en "underkyld" vätska. Vidare - flytande kristaller som används i vissa bildskärmar; kitt - silikonpolymer, plast, elastisk eller till och med spröd, beroende på deformationshastigheten; superklibbig, självrinnande vätska (när den väl har startat fortsätter överflödet tills tillförseln av vätska i det övre glaset är slut); Nitinol, en nickel-titan formminneslegering, kommer att räta ut i varm luft eller vätska när den böjs.
Klassificeringen blir mer och mer komplex. Modern teknik raderar gränserna mellan materiens tillstånd. Nya upptäckter görs. 2016 års Nobelpristagare – David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane och J. Michael Kosterlitz – kopplade samman två världar: materia som är ämnet fysik och topologi som är en gren av matematiken. De insåg att det finns icke-traditionella fasövergångar associerade med topologiska defekter och icke-traditionella faser av materia - topologiska faser. Detta ledde till en lavin av experimentellt och teoretiskt arbete. Denna lavin flyter fortfarande i en mycket snabb takt.
Vissa människor ser återigen XNUMXD-material som ett nytt, unikt tillstånd av materia. Vi har känt till den här typen av nanonätverk - fosfat, stanen, borofen eller, slutligen, det populära grafenet - i många år. De tidigare nämnda Nobelpristagarna har i synnerhet varit involverade i den topologiska analysen av dessa enskiktiga material.
Den gammaldags vetenskapen om materiens tillstånd och materiens faser verkar ha kommit långt. Långt bortom vad vi fortfarande kan minnas från fysiklektionerna.
