Θα γνωρίσουμε ποτέ όλες τις καταστάσεις της ύλης; Αντί για τρία, πεντακόσια

Πέρυσι, διαδόθηκαν πληροφορίες στα μέσα ενημέρωσης ότι «εμφανίστηκε μια μορφή ύλης», η οποία θα μπορούσε να ονομαστεί υπερσκληρή ή, για παράδειγμα, πιο βολική, αν και λιγότερο πολωνική, υπερσκληρή. Προερχόμενο από τα εργαστήρια επιστημόνων του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης, αντιπροσωπεύει ένα είδος αντίφασης, συνδυάζοντας τις ιδιότητες των στερεών και των υπερρευστών υγρών - δηλ. υγρά με μηδενικό ιξώδες.

Οι φυσικοί είχαν προβλέψει προηγουμένως την ύπαρξη υπερκειμένου, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχει ανακαλυφθεί κάτι παρόμοιο στο εργαστήριο. Τα αποτελέσματα της μελέτης των επιστημόνων του MIT δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature.

«Η ύλη που συνδυάζει υπερρευστότητα και στερεές ιδιότητες αψηφά την κοινή λογική», έγραψε στην εφημερίδα ο επικεφαλής της ομάδας Wolfgang Ketterle, καθηγητής φυσικής στο MIT και βραβευμένος με Νόμπελ το 2001.

Για να κατανοήσει αυτή την αμφιλεγόμενη μορφή ύλης, η ομάδα του Ketterle χειρίστηκε την κίνηση των υπερστερεών ατόμων σε μια άλλη περίεργη μορφή ύλης που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC). Ο Ketterle είναι ένας από τους ανακαλυπτές του BEC, που του χάρισε το Νόμπελ Φυσικής.

«Ο στόχος ήταν να προστεθεί κάτι στο συμπύκνωμα που θα το έκανε να εξελιχθεί σε μια μορφή έξω από την ατομική παγίδα και να αποκτήσει τα χαρακτηριστικά ενός στερεού», εξήγησε ο Ketterle.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ακτίνες λέιζερ σε έναν εξαιρετικά υψηλό θάλαμο κενού για να ελέγξει την κίνηση των ατόμων συμπυκνώματος. Ένα αρχικό σύνολο λέιζερ χρησιμοποιήθηκε για τη μετατροπή των μισών ατόμων BEC σε διαφορετική φάση σπιν ή κβαντικής φάσης. Έτσι, δημιουργήθηκαν δύο τύποι BEC. Η μεταφορά ατόμων μεταξύ των δύο συμπυκνωμάτων χρησιμοποιώντας πρόσθετες ακτίνες λέιζερ προκάλεσε αλλαγές στο σπιν.

«Τα πρόσθετα λέιζερ παρείχαν στα άτομα μια επιπλέον έκρηξη ενέργειας για σύζευξη περιστροφικής τροχιάς», είπε ο Ketterle. Η προκύπτουσα ουσία, σύμφωνα με τους φυσικούς, θα έπρεπε να ήταν «υπερσκληρή», αφού τα συμπυκνώματα με συζευγμένα άτομα στην τροχιά του σπιν θα χαρακτηρίζονταν από αυθόρμητη «διαμόρφωση πυκνότητας». Με άλλα λόγια, η πυκνότητα της ύλης θα έπαυε να είναι σταθερή. Αντίθετα, θα έχει ένα σχέδιο φάσης παρόμοιο με ένα κρυσταλλικό στερεό.

Περαιτέρω έρευνα σε υπερσκληρά υλικά θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων των υπερρευστών και των υπεραγωγών, κάτι που θα είναι κρίσιμο για την αποτελεσματική μεταφορά ενέργειας. Οι υπερσκληροί μπορεί επίσης να είναι το κλειδί για την ανάπτυξη καλύτερων υπεραγώγιμων μαγνητών και αισθητήρων.

Όχι καταστάσεις συνάθροισης, αλλά φάσεις

Είναι μια υπερστερεή κατάσταση ουσία; Η απάντηση που δίνει η σύγχρονη φυσική δεν είναι τόσο απλή. Θυμόμαστε από το σχολείο ότι η φυσική κατάσταση της ύλης είναι η κύρια μορφή στην οποία βρίσκεται η ουσία και καθορίζει τις βασικές φυσικές της ιδιότητες. Οι ιδιότητες μιας ουσίας καθορίζονται από τη διάταξη και τη συμπεριφορά των μορίων που την αποτελούν. Η παραδοσιακή διαίρεση των καταστάσεων της ύλης του XNUMXου αιώνα προσδιορίζει τρεις τέτοιες καταστάσεις: στερεό (στερεό), υγρό (υγρό) και αέριο (αέριο).

Ωστόσο, επί του παρόντος, ένας πιο ακριβής ορισμός των μορφών ύπαρξης της ύλης φαίνεται να είναι η φάση της ύλης. Οι ιδιότητες των σωμάτων σε μεμονωμένες καταστάσεις εξαρτώνται από τη διάταξη των μορίων (ή των ατόμων) από τα οποία αποτελούνται αυτά τα σώματα. Από αυτή την άποψη, η παλιά διαίρεση σε καταστάσεις συσσωμάτωσης ισχύει μόνο για ορισμένες ουσίες, καθώς η επιστημονική έρευνα έχει δείξει ότι αυτό που προηγουμένως θεωρούνταν ως ενιαία κατάσταση συσσωμάτωσης μπορεί στην πραγματικότητα να χωριστεί σε πολλές φάσεις της ύλης, διαφορετικής φύσης. διαμόρφωση σωματιδίων. Υπάρχουν ακόμη και καταστάσεις όπου τα μόρια στο ίδιο σώμα μπορούν να διατάσσονται διαφορετικά την ίδια στιγμή.

Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι οι στερεές και υγρές καταστάσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν με διάφορους τρόπους. Ο αριθμός των φάσεων της ύλης σε ένα σύστημα και ο αριθμός των εντατικών μεταβλητών (για παράδειγμα, πίεση, θερμοκρασία) που μπορούν να αλλάξουν χωρίς ποιοτική αλλαγή του συστήματος περιγράφονται από την αρχή της φάσης Gibbs.

Η αλλαγή της φάσης μιας ουσίας μπορεί να απαιτεί την παροχή ή την εισαγωγή ενέργειας - τότε η ποσότητα ενέργειας που εκρέει θα είναι ανάλογη με τη μάζα της ουσίας που αλλάζει τη φάση. Ωστόσο, ορισμένες μεταβάσεις φάσης συμβαίνουν χωρίς την παροχή ή την αφαίρεση ενέργειας. Εξάγουμε ένα συμπέρασμα σχετικά με μια αλλαγή στη φάση με βάση μια σταδιακή αλλαγή σε ορισμένες ποσότητες που περιγράφουν αυτό το σώμα.

Στην πιο εκτεταμένη ταξινόμηση που έχει δημοσιευθεί μέχρι σήμερα, υπάρχουν περίπου πεντακόσιες καταστάσεις συγκέντρωσης. Πολλές ουσίες, ειδικά αυτές που είναι μείγματα διαφορετικών χημικών ενώσεων, μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα σε δύο ή περισσότερες φάσεις.

Η σύγχρονη φυσική συνήθως δέχεται δύο φάσεις - υγρή και στερεή, με την αέρια φάση να είναι μία από τις περιπτώσεις της υγρής φάσης. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν διάφορους τύπους πλάσματος, την ήδη αναφερθείσα φάση υπερρέματος και μια σειρά από άλλες καταστάσεις της ύλης. Οι στερεές φάσεις αντιπροσωπεύονται από διάφορες κρυσταλλικές μορφές, καθώς και από μια άμορφη μορφή.

Τοπολογικά ζάβια

Οι αναφορές για νέες «καταστάσεις συσσώρευσης» ή δύσκολα καθορισμένες φάσεις υλικών, αποτελούν τακτικό ρεπερτόριο επιστημονικών ειδήσεων τα τελευταία χρόνια. Ταυτόχρονα, η ανάθεση νέων ανακαλύψεων σε μια από τις κατηγορίες δεν είναι πάντα εύκολη. Η υπερσκληρή ουσία που περιγράφηκε προηγουμένως είναι πιθανώς μια στερεή φάση, αλλά οι φυσικοί μπορεί να έχουν διαφορετική γνώμη. Πριν από αρκετά χρόνια σε πανεπιστημιακό εργαστήριο

Στο Κολοράντο, για παράδειγμα, το dropletton - κάτι υγρό, κάτι στερεό - δημιουργήθηκε από σωματίδια αρσενιδίου του γαλλίου. Το 2015, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον χημικό Cosmas Prasides του Πανεπιστημίου Tohoku στην Ιαπωνία ανακοίνωσε την ανακάλυψη μιας νέας κατάστασης της ύλης που συνδυάζει τις ιδιότητες ενός μονωτή, ενός υπεραγωγού, ενός μετάλλου και ενός μαγνήτη, αποκαλώντας το Jahn-Teller metal. .

Υπάρχουν επίσης άτυπες «υβριδικές» συγκεντρωτικές καταστάσεις. Για παράδειγμα, το γυαλί δεν έχει κρυσταλλική δομή και επομένως μερικές φορές ταξινομείται ως «υπερψυγμένο» υγρό. Επιπλέον - υγροί κρύσταλλοι που χρησιμοποιούνται σε ορισμένες οθόνες. στόκος - πολυμερές σιλικόνης, πλαστικό, ελαστικό ή ακόμα και εύθραυστο, ανάλογα με τον ρυθμό παραμόρφωσης. υπερ-κολλώδες, αυτο-ρέον υγρό (μετά την έναρξη, η υπερχείλιση θα συνεχιστεί μέχρι να εξαντληθεί η παροχή υγρού στο επάνω γυαλί). Το Nitinol, ένα κράμα μνήμης σε σχήμα νικελίου-τιτανίου, θα ισιώσει σε ζεστό αέρα ή υγρό όταν λυγίσει.

Η ταξινόμηση γίνεται όλο και πιο περίπλοκη. Οι σύγχρονες τεχνολογίες διαγράφουν τα όρια μεταξύ των καταστάσεων της ύλης. Γίνονται νέες ανακαλύψεις. Οι νικητές του βραβείου Νόμπελ 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane και J. Michael Kosterlitz - συνέδεσαν δύο κόσμους: την ύλη, που είναι το αντικείμενο της φυσικής, και την τοπολογία, που είναι κλάδος των μαθηματικών. Συνειδητοποίησαν ότι υπάρχουν μη παραδοσιακές μεταπτώσεις φάσης που σχετίζονται με τοπολογικά ελαττώματα και μη παραδοσιακές φάσεις της ύλης - τοπολογικές φάσεις. Αυτό οδήγησε σε μια χιονοστιβάδα πειραματικών και θεωρητικών εργασιών. Αυτή η χιονοστιβάδα εξακολουθεί να ρέει με πολύ γρήγορους ρυθμούς.

Μερικοί άνθρωποι βλέπουν και πάλι τα δισδιάστατα υλικά ως μια νέα, μοναδική κατάσταση της ύλης. Γνωρίζουμε αυτόν τον τύπο νανοδικτύου - φωσφορικό, στανένιο, βοροφένιο ή, τέλος, το δημοφιλές γραφένιο - εδώ και πολλά χρόνια. Οι προαναφερθέντες νομπελίστες συμμετείχαν, ειδικότερα, στην τοπολογική ανάλυση αυτών των υλικών μιας στρώσης.

Η παλιομοδίτικη επιστήμη των καταστάσεων της ύλης και των φάσεων της ύλης προφανώς έχει προχωρήσει πολύ. Πολύ πέρα ​​από αυτό που μπορούμε να θυμηθούμε ακόμα από τα μαθήματα φυσικής.