Биз заттын бардык абалын биле алабызбы? Уч жуздун ордуна беш жуз

Өткөн жылы ММКлар "материянын бир түрү пайда болду" деген маалыматты таратышты, аны супер катуу же, мисалы, ыңгайлуураак, азыраак полякча, супер катуу деп атоого болот. Массачусетс технологиялык институтунун окумуштууларынын лабораторияларынан келип чыккан, бул катуу жана ашыкча суюктуктардын касиеттерин айкалыштырган карама-каршылыктын бир түрү - б.а. нөлдүк илешкектүүлүктөгү суюктуктар.

Физиктер буга чейин супернатанттын бар экенин айтышкан, бирок лабораторияда буга окшош эч нерсе табылган эмес. Массачусетс технология институтунун окумуштууларынын изилдөөсүнүн жыйынтыгы Nature журналына жарыяланды.

«Ашыкча суюктук менен катуу касиеттерди айкалыштырган зат жалпы акылга каршы келет», - деп жазат команданын лидери, MIT физика профессору жана 2001-жылы Нобель сыйлыгынын лауреаты Вольфганг Кеттерле.

Материянын бул карама-каршы формасын түшүнүү үчүн Кеттерлдин командасы заттын дагы бир өзгөчө формасындагы супер катуу абалдагы атомдордун кыймылын Бозе-Эйнштейн конденсаты (BEC) деп атаган. Кеттерле физика боюнча Нобель сыйлыгын алган BECтин ачылыштарынын бири.

«Кыйынчылык конденсатка анын «атомдук капкандан» тышкаркы формага айланышына жана катуу заттын мүнөздөмөлөрүнө ээ болушуна себеп болуучу бир нерсе кошуу болчу», - деп түшүндүрдү Кеттерл.

Изилдөө тобу конденсаттагы атомдордун кыймылын көзөмөлдөө үчүн өтө бийик вакуумдук камерада лазердик нурларды колдонушкан. Лазерлердин баштапкы топтому BEC атомдорунун жарымын башка спинге же кванттык фазага айландыруу үчүн колдонулган. Ошентип, БЭКтин эки түрү түзүлдү. Кошумча лазер нурларынын жардамы менен эки конденсаттын ортосунда атомдордун өтүшү спиндик өзгөрүүлөрдү пайда кылды.

"Кошумча лазерлер атомдорго спин-орбиталык кошулуу үчүн кошумча энергияны камсыз кылды" деди Кеттерл. Алынган зат, физиктердин божомолу боюнча, "өтө катуу" болушу керек болчу, анткени спиндик орбитада конъюгацияланган атомдору бар конденсаттар стихиялуу "тығыздык модуляциясы" менен мүнөздөлмөк. Башкача айтканда, заттын тыгыздыгы туруктуу болбой калат. Анын ордуна, ал кристаллдык катууга окшош фазалык үлгүгө ээ болот.

Супер катуу материалдарды андан ары изилдөө супер суюктуктардын жана супер өткөргүчтөрдүн касиеттерин жакшыраак түшүнүүгө алып келиши мүмкүн, бул энергияны эффективдүү өткөрүү үчүн абдан маанилүү. Superhards ошондой эле жакшы өткөргүч магниттерди жана сенсорлорду иштеп чыгуунун ачкычы болушу мүмкүн.

Агрегациянын абалы эмес, фазалар

Супер катуу абал затпы? Заманбап физика берген жооп анчалык деле жөнөкөй эмес. Заттын физикалык абалы заттын жайгашкан негизги формасы жана анын негизги физикалык касиеттерин аныктай турганын мектептен эстейбиз. Заттын касиеттери аны түзүүчү молекулалардын жайгашуусу жана жүрүм-туруму менен аныкталат. XNUMX-кылымдагы заттын абалынын салттуу бөлүнүшү мындай үч абалды ажыратат: катуу (катуу), суюк (суюк) жана газ (газ).

Бирок, азыркы учурда материянын фазасы материянын жашоо формаларынын так аныктамасы болуп көрүнөт. Жеке мамлекеттердеги денелердин касиеттери бул денелер турган молекулалардын (же атомдордун) жайгашуусуна көз каранды. Бул көз караштан алганда, эски агрегаттык абалга бөлүү кээ бир заттарга гана туура келет, анткени илимий изилдөөлөр буга чейин биригүүнүн бирдиктүү абалы деп эсептелген нерсе иш жүзүндө табияты боюнча айырмаланган заттын көптөгөн фазаларына бөлүнүшү мүмкүн экенин көрсөттү. бөлүкчөлөрдүн конфигурациясы. Ал тургай, бир эле денедеги молекулалар бир эле учурда башкача тизилиши мүмкүн болгон жагдайлар бар.

Андан тышкары, катуу жана суюк абалды ар кандай жолдор менен ишке ашырууга болот экен. Системадагы заттын фазаларынын саны жана системанын сапаттык өзгөрүүсүз өзгөрүлүүчү интенсивдүү өзгөрмөлөрдүн саны (мисалы, басым, температура) Гиббс фазасынын принциби менен сүрөттөлөт.

Заттын фазасынын өзгөрүшү энергия менен камсыз кылууну же алууну талап кылышы мүмкүн - анда агып жаткан энергиянын көлөмү фазаны өзгөрткөн заттын массасына пропорционалдуу болот. Бирок, кээ бир фазалык өтүүлөр энергиянын кириши же чыгышы жок болот. Бул денени сүрөттөгөн кээ бир чоңдуктардын кадамдык өзгөрүшүнүн негизинде фазалык өзгөрүү жөнүндө тыянак чыгарабыз.

Бүгүнкү күнгө чейин жарыяланган эң кеңири классификацияда беш жүзгө жакын жалпы штаттар бар. Көптөгөн заттар, айрыкча ар кандай химиялык кошулмалардын аралашмасы, бир эле учурда эки же андан көп фазада болушу мүмкүн.

Заманбап физика адатта эки фазаны кабыл алат - суюк жана катуу, газ фазасы суюк фазанын учурларынын бири. Акыркысы плазманын ар кандай түрлөрүн, буга чейин айтылган супер ток фазасын жана материянын бир катар башка абалын камтыйт. Катуу фазалар ар кандай кристаллдык формалар, ошондой эле аморфтук форма менен көрсөтүлөт.

Топологиялык завия

Жацы «агрегаттык абалдар» же-нундегу отчеттор же анык-тоо кыйын болгон материалдардын фазалары акыркы жылдарда илимий кабарлардын туруктуу репертуары болуп калды. Ошол эле учурда жаңы ачылыштарды категориялардын бирине ыйгаруу дайыма эле оңой боло бербейт. Мурда сүрөттөлгөн катуу зат, балким, катуу фаза, бирок, балким, физиктердин пикири башкача. Бир нече жыл мурун университеттин лабораториясында

Колорадодо, мисалы, галлий арсенидинин бөлүкчөлөрүнөн тамчы пайда болгон - суюк, катуу нерсе. 2015-жылы Япониянын Тохоку университетинде химик Космас Прасидес жетектеген эл аралык окумуштуулар тобу изолятор, супер өткөргүч, металл жана магниттин касиеттерин бириктирген заттын жаңы абалын ачып, аны Джан-Теллер металлы деп аташкан.

Атиптүү "гибриддик" агрегаттык мамлекеттер да бар. Мисалы, айнек кристаллдык түзүлүшкө ээ эмес, ошондуктан кээде "өтө муздатылган" суюктук катары классификацияланат. Андан ары - кээ бир дисплейлерде колдонулган суюк кристаллдар; шпаклевка - деформация ылдамдыгына жараша силикон полимер, пластик, ийкемдүү же морттук; супер жабышчаак, өзүн-өзү аккан суюктук (башталгандан кийин, үстүнкү айнектеги суюктуктун берүүсү түгөнгөнгө чейин агып чыгуу уланат); Нитинол, никель-титан формасындагы эс тутум эритмеси ийилгенде жылуу абада же суюктукта түздөйт.

Классификация барган сайын татаалдашып баратат. Заманбап технологиялар заттын абалынын ортосундагы чек араларды жок кылат. Жаңы ачылыштар жасалууда. 2016-жылдагы Нобель сыйлыгынын лауреаттары - Дэвид Дж. Тоулес, Ф.Дункан, М.Халдейн жана Дж.Майкл Костерлиц эки дүйнөнү байланыштырышты: физиканын предмети болгон материя жана математиканын бир тармагы болгон топология. Алар топологиялык кемчиликтер менен байланышкан салттуу эмес фазалык өтүүлөр жана материянын салттуу эмес фазалары – топологиялык фазалар бар экенин түшүнүштү. Бул эксперименталдык жана теориялык иштердин көчкүсүнө алып келди. Бул кар көчкү дагы эле өтө ылдам темп менен агып жатат.

Кээ бир адамдар кайрадан XNUMXD материалдарды материянын жаңы, уникалдуу абалы катары көрүшөт. Биз нанотармактын бул түрүн - фосфатты, станенди, борофенди же, акырында, популярдуу графенди - көп жылдардан бери билебиз. Жогоруда айтылган Нобель сыйлыгынын лауреаттары, атап айтканда, бул бир катмарлуу материалдарды топологиялык талдоого тартылган.

Заттын абалы жана материянын фазалары жөнүндөгү эски үлгүдөгү илим узак жолду басып өткөндөй. Физика сабактарынан биз эстей турган нерселерден алда канча көп.