Vil vi noen gang kjenne alle materiens tilstander? I stedet for tre, fem hundre

I fjor spredte media informasjon om at «det har oppstått en form for sak», som kan kalles superhard eller for eksempel mer praktisk, om enn mindre polsk, superhard. Kommer fra laboratoriene til forskere ved Massachusetts Institute of Technology, er det en slags motsetning som kombinerer egenskapene til faste stoffer og superfluider - dvs. væsker med null viskositet.

Fysikere har tidligere spådd eksistensen av en supernatant, men foreløpig er det ikke funnet noe lignende i laboratoriet. Resultatene av studien av forskere ved Massachusetts Institute of Technology ble publisert i tidsskriftet Nature.

"Et stoff som kombinerer superfluiditet og solide egenskaper trosser sunn fornuft," skrev teamleder Wolfgang Ketterle, professor i fysikk ved MIT og nobelprisvinner i 2001, i avisen.

For å gi mening om denne motstridende formen for materie, manipulerte Ketterles team bevegelsen til atomer i en supersolid tilstand i en annen særegen form for materie kalt et Bose-Einstein-kondensat (BEC). Ketterle er en av oppdagerne av BEC, som ga ham Nobelprisen i fysikk.

"Utfordringen var å tilføre noe til kondensatet som ville få det til å utvikle seg til en form utenfor 'atomfellen' og få egenskapene til et fast stoff," forklarte Ketterle.

Forskerteamet brukte laserstråler i et ultrahøyt vakuumkammer for å kontrollere bevegelsen til atomene i kondensatet. Det originale settet med lasere ble brukt til å transformere halvparten av BEC-atomene til en annen spinn- eller kvantefase. Dermed ble det opprettet to typer BEC-er. Overføringen av atomer mellom to kondensat ved hjelp av ekstra laserstråler forårsaket spinnforandringer.

"Ytterligere lasere ga atomene en ekstra energiøkning for spinn-bane-kobling," sa Ketterle. Det resulterende stoffet, ifølge fysikeres spådom, skulle ha vært "superhard", siden kondensater med konjugerte atomer i en spinnbane ville være preget av spontan "tetthetsmodulasjon". Med andre ord, tettheten av materie ville slutte å være konstant. I stedet vil den ha et fasemønster som ligner på et krystallinsk fast stoff.

Ytterligere forskning på superharde materialer kan føre til en bedre forståelse av egenskapene til superfluider og superledere, noe som vil være avgjørende for effektiv energioverføring. Superharde kan også være nøkkelen til å utvikle bedre superledende magneter og sensorer.

Ikke aggregeringstilstander, men faser

Er den superharde tilstanden et stoff? Svaret gitt av moderne fysikk er ikke så enkelt. Vi husker fra skolen at materiens fysiske tilstand er hovedformen stoffet befinner seg i og bestemmer dets grunnleggende fysiske egenskaper. Egenskapene til et stoff bestemmes av arrangementet og oppførselen til dets molekyler. Den tradisjonelle inndelingen av materietilstandene på XNUMX-tallet skiller tre slike tilstander: fast (fast), flytende (flytende) og gassformig (gass).

Men for tiden ser materiens fase ut til å være en mer nøyaktig definisjon av materiens eksistensformer. Egenskapene til legemer i individuelle tilstander avhenger av arrangementet av molekylene (eller atomene) som disse kroppene er sammensatt av. Fra dette synspunktet gjelder den gamle inndelingen i aggregeringstilstander bare for noen stoffer, siden vitenskapelig forskning har vist at det som tidligere ble ansett som en enkelt aggregeringstilstand faktisk kan deles inn i mange faser av et stoff som er forskjellige i natur. partikkelkonfigurasjon. Det er til og med situasjoner når molekyler i samme kropp kan ordnes annerledes på samme tid.

Dessuten viste det seg at de faste og flytende tilstandene kan realiseres på en rekke måter. Antall faser av materie i systemet og antall intensive variabler (for eksempel trykk, temperatur) som kan endres uten en kvalitativ endring i systemet er beskrevet av Gibbs faseprinsipp.

En endring i fasen til et stoff kan kreve tilførsel eller mottak av energi – da vil mengden energi som strømmer ut være proporsjonal med massen til stoffet som endrer fasen. Noen faseoverganger skjer imidlertid uten energiinngang eller -utgang. Vi trekker en konklusjon om faseendringen basert på den trinnvise endringen av noen størrelser som beskriver denne kroppen.

I den mest omfattende klassifiseringen som er publisert til dags dato, er det omtrent fem hundre aggregerte tilstander. Mange stoffer, spesielt de som er blandinger av forskjellige kjemiske forbindelser, kan eksistere samtidig i to eller flere faser.

Moderne fysikk aksepterer vanligvis to faser - flytende og fast, med gassfasen som et av tilfellene av flytende fase. Sistnevnte inkluderer ulike typer plasma, den allerede nevnte superstrømfasen og en rekke andre materietilstander. Faste faser er representert av forskjellige krystallinske former, så vel som en amorf form.

Topologisk zawiya

Rapporter om nye "aggregattilstander" eller vanskelige å definere faser av materialer har vært et konstant repertoar av vitenskapelige nyheter de siste årene. Samtidig er det ikke alltid lett å tilordne nye funn til en av kategoriene. Det supersolide stoffet beskrevet tidligere er sannsynligvis en fast fase, men kanskje fysikere har en annen oppfatning. For noen år siden i et universitetslaboratorium

I Colorado ble det for eksempel laget en dråpe av partikler av galliumarsenid - noe flytende, noe fast. I 2015 kunngjorde et internasjonalt team av forskere ledet av kjemiker Cosmas Prasides ved Tohoku University i Japan oppdagelsen av en ny materietilstand som kombinerer egenskapene til en isolator, superleder, metall og magnet, og kaller det Jahn-Teller-metallet.

Det er også atypiske "hybride" aggregattilstander. For eksempel har ikke glass en krystallinsk struktur og blir derfor noen ganger klassifisert som en "superkjølt" væske. Videre - flytende krystaller brukt i noen skjermer; kitt - silikonpolymer, plast, elastisk eller til og med sprø, avhengig av deformasjonshastigheten; super-klebrig, selvflytende væske (når den er startet, vil overløpet fortsette til tilførselen av væske i det øvre glasset er oppbrukt); Nitinol, en nikkel-titan formminnelegering, vil rette seg ut i varm luft eller væske når den bøyes.

Klassifiseringen blir mer og mer kompleks. Moderne teknologier visker ut grensene mellom materiens tilstander. Nye funn blir gjort. 2016 Nobelprisvinnerne - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane og J. Michael Kosterlitz - koblet sammen to verdener: materie, som er fysikkfaget, og topologi, som er en gren av matematikken. De innså at det er utradisjonelle faseoverganger assosiert med topologiske defekter og ikke-tradisjonelle faser av materie – topologiske faser. Dette førte til et snøskred av eksperimentelt og teoretisk arbeid. Dette skredet går fortsatt i et veldig raskt tempo.

Noen mennesker ser igjen XNUMXD-materialer som en ny, unik tilstand av materie. Vi har kjent denne typen nanonettverk - fosfat, stanen, borofen, eller til slutt det populære grafenet - i mange år. De nevnte nobelprisvinnerne har vært involvert, spesielt i den topologiske analysen av disse enkeltlagsmaterialene.

Den gammeldagse vitenskapen om materiens tilstander og faser av materie ser ut til å ha kommet langt. Langt utover det vi fortsatt kan huske fra fysikktimene.