Czy kiedykolwiek poznamy wszystkie stany materii? Zamiast trzystu pięciuset

W zeszłym roku w mediach rozeszła się informacja, że ​​„wyłoniła się forma materii”, którą można nazwać supertwardą lub np. wygodniejszą, choć mniej polską, supertwardą. Pochodząca z laboratoriów naukowców Massachusetts Institute of Technology, reprezentuje swego rodzaju sprzeczność, łączącą właściwości ciał stałych i nadciekłych cieczy – tj. ciecze o zerowej lepkości.

Fizycy już wcześniej przewidywali istnienie supernatantu, ale jak dotąd w laboratorium nie odkryto niczego podobnego. Wyniki badań naukowców z MIT opublikowano w czasopiśmie Nature.

„Materia łącząca nadciekłość i właściwości stałe przeczy zdrowemu rozsądkowi” – ​​napisał w artykule lider zespołu Wolfgang Ketterle, profesor fizyki z MIT i laureat Nagrody Nobla z 2001 roku.

Aby zrozumieć tę kontrowersyjną formę materii, zespół Ketterle'a manipulował ruchem atomów superstałych w innej szczególnej formie materii zwanej kondensatem Bosego-Einsteina (BEC). Ketterle jest jednym z odkrywców BEC, za co otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

„Celem było dodanie do kondensatu czegoś, co spowodowałoby jego rozwinięcie się w formę poza pułapką atomową i nabranie cech ciała stałego” – wyjaśnił Ketterle.

Zespół badawczy wykorzystał wiązki laserowe w komorze o bardzo wysokiej próżni do kontrolowania ruchu atomów kondensatu. Początkowy zestaw laserów wykorzystano do przekształcenia połowy atomów BEC w inną fazę spinową lub kwantową. W ten sposób powstały dwa typy BEC. Przenoszenie atomów pomiędzy dwoma kondensatami za pomocą dodatkowych wiązek laserowych spowodowało zmiany spinu.

„Dodatkowe lasery zapewniły atomom dodatkowy impuls energii do sprzężenia spin-orbita” – powiedział Ketterle. Zdaniem fizyków powstała substancja powinna być „supertwarda”, ponieważ kondensaty ze sprzężonymi atomami na orbicie spinowej charakteryzowałyby się spontaniczną „modulacją gęstości”. Innymi słowy, gęstość materii przestałaby być stała. Zamiast tego będzie miał wzór fazowy podobny do krystalicznego ciała stałego.

Dalsze badania nad materiałami supertwardymi mogą doprowadzić do lepszego zrozumienia właściwości nadcieczy i nadprzewodników, które będą miały kluczowe znaczenie dla wydajnego transferu energii. Supertwarde mogą być również kluczem do opracowania lepszych magnesów i czujników nadprzewodzących.

Nie stany skupienia, ale fazy

Czy stan superstały jest substancją? Odpowiedź, jakiej udziela współczesna fizyka, nie jest taka prosta. Pamiętamy ze szkoły, że stan fizyczny materii jest główną formą, w jakiej substancja występuje i określa jej podstawowe właściwości fizyczne. Właściwości substancji są określone przez rozmieszczenie i zachowanie jej cząsteczek składowych. Tradycyjny XVII-wieczny podział stanów materii wyróżnia trzy takie stany: stały (stały), ciekły (ciecz) i gazowy (gaz).

Jednak obecnie bardziej trafnym określeniem form istnienia materii wydaje się być faza materii. Właściwości ciał w poszczególnych stanach zależą od ułożenia cząsteczek (atomów), z których zbudowane są te ciała. Z tego punktu widzenia stary podział na stany skupienia jest prawdziwy tylko dla niektórych substancji, gdyż badania naukowe wykazały, że to, co wcześniej uważano za pojedynczy stan skupienia, w rzeczywistości można podzielić na wiele faz materii, różniących się charakterem. konfiguracja cząstek. Zdarzają się nawet sytuacje, w których cząsteczki w tym samym ciele mogą być jednocześnie ułożone inaczej.

Ponadto okazało się, że stany stały i ciekły można realizować na różne sposoby. Liczbę faz materii w układzie oraz liczbę zmiennych intensywnych (na przykład ciśnienie, temperatura), które można zmienić bez jakościowej zmiany układu, opisuje zasada fazowa Gibbsa.

Zmiana fazy substancji może wymagać dostarczenia lub wprowadzenia energii - wówczas ilość wypływającej energii będzie proporcjonalna do masy substancji zmieniającej fazę. Jednak niektóre przejścia fazowe zachodzą bez dostarczania lub usuwania energii. Wniosek o zmianie fazy wyciągamy na podstawie stopniowej zmiany pewnych wielkości opisujących to ciało.

W najobszerniejszej dotychczas opublikowanej klasyfikacji wyróżnia się około pięciuset stanów skupienia. Wiele substancji, szczególnie tych, które są mieszaninami różnych związków chemicznych, może występować jednocześnie w dwóch lub więcej fazach.

Współczesna fizyka zazwyczaj przyjmuje dwie fazy – ciekłą i stałą, przy czym faza gazowa jest jednym z przypadków fazy ciekłej. Do tych ostatnich należą różne rodzaje plazmy, wspomniana już faza nadprądowa oraz szereg innych stanów skupienia. Fazy ​​stałe są reprezentowane przez różne formy krystaliczne, a także postać amorficzną.

Zavia topologiczne

Doniesienia o nowych „stanach skupienia”, czyli trudnych do zdefiniowania fazach materiałów, stanowią w ostatnich latach stały repertuar wiadomości naukowych. Jednocześnie przypisanie nowych odkryć do jednej z kategorii nie zawsze jest łatwe. Opisana wcześniej substancja supertwarda jest prawdopodobnie fazą stałą, jednak fizycy mogą być innego zdania. Kilka lat temu w laboratorium uniwersyteckim

Na przykład w Kolorado dropletton – coś płynnego, coś stałego – powstał z cząstek arsenku galu. W 2015 roku międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem chemika Cosmasa Prasidesa z Uniwersytetu Tohoku w Japonii ogłosił odkrycie nowego stanu materii, który łączy w sobie właściwości izolatora, nadprzewodnika, metalu i magnesu, nazywając go metalem Jahna-Tellera .

Istnieją również nietypowe „hybrydowe” stany agregatów. Na przykład szkło nie ma struktury krystalicznej i dlatego jest czasami klasyfikowane jako ciecz „przechłodzona”. Dalej - ciekłe kryształy stosowane w niektórych wyświetlaczach; kit - polimer silikonowy, plastyczny, elastyczny lub nawet kruchy, w zależności od szybkości odkształcania; superlepki, samolejący się płyn (po uruchomieniu przelewanie będzie trwało do wyczerpania zapasu płynu w górnej szklance); Nitinol, stop niklowo-tytanowy z pamięcią kształtu, po zgięciu wyprostuje się w ciepłym powietrzu lub cieczy.

Klasyfikacja staje się coraz bardziej złożona. Nowoczesne technologie zacierają granice między stanami materii. Dokonywane są nowe odkrycia. Laureaci Nagrody Nobla z 2016 roku – David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane i J. Michael Kosterlitz – połączyli dwa światy: materię, która jest przedmiotem fizyki, i topologię, która jest gałęzią matematyki. Zdali sobie sprawę, że istnieją nietradycyjne przejścia fazowe związane z defektami topologicznymi oraz nietradycyjne fazy materii - fazy topologiczne. Doprowadziło to do lawiny prac eksperymentalnych i teoretycznych. Ta lawina wciąż płynie w bardzo szybkim tempie.

Niektórzy ludzie ponownie patrzą na materiały dwuwymiarowe jako na nowy, unikalny stan materii. Tego typu nanosieć – fosforan, stanen, borofen czy w końcu popularny grafen – znamy od wielu lat. Wspomniani nobliści zajmowali się w szczególności analizą topologiczną tych materiałów jednowarstwowych.

Najwyraźniej staromodna nauka o stanach materii i fazach materii przeszła długą drogę. Daleko wykraczające poza to, co wciąż pamiętamy z lekcji fizyki.