Чи дізнаємось ми колись про всі стани матерії? Замість трьох, п'ятсот

Минулого року в ЗМІ поширилася інформація про те, що «виникла форма матерії», яку можна було б назвати надтвердою або, наприклад, зручнішою, хоч і менш польською, — надтвердою. Що прийшло з лабораторій вчених Массачусетського технологічного інституту, воно є певною суперечністю, що поєднує в собі властивості твердих тіл і надплинних рідин - тобто. рідин з нульовою в'язкістю.

Фізики раніше передбачали існування супернатанту, але поки що нічого подібного в лабораторії не виявлено. Результати дослідження вчених Массачусетського технологічного інституту було опубліковано у журналі Nature.

"Речовина, що поєднує надплинність і тверді властивості, суперечить здоровому глузду", - написав у статті керівник групи Вольфганг Кеттерле, професор фізики Массачусетського технологічного інституту та лауреат Нобелівської премії 2001 року.

Щоб розібратися в цій суперечливій формі матерії, команда Кеттерле маніпулювала рухом атомів у надтвердому стані в іншій своєрідній формі матерії, яка називається конденсатом Бозе-Ейнштейна (БЕК). Кеттерле є одним із першовідкривачів БЕК, що принесло йому Нобелівську премію з фізики.

"Завдання полягало в тому, щоб додати до конденсату щось, що змусило б його розвинутися у форму за межами "атомної пастки" і придбати характеристики твердого тіла", - пояснив Кеттерле.

Дослідницька група використовувала лазерні промені в камері надвисокого вакууму для керування рухом атомів конденсату. Початковий набір лазерів використовувався для перетворення половини атомів БЕК на іншу спинову або квантову фазу. Таким чином, було створено два типи БЕК. Перенесення атомів між двома конденсатами за допомогою додаткових лазерних променів викликало зміни спини.

"Додаткові лазери надали атомам додатковий імпульс енергії для спін-орбітального зв'язку", - повідомив Кеттерле. Отримана речовина, за прогнозом фізиків, мала бути «надтвердою», оскільки конденсати зі сполученими атомами на спиновій орбіті характеризувалися б спонтанною «модуляцією щільності». Іншими словами, щільність матерії перестала бути постійною. Натомість він матиме фазовий візерунок, схожий на кристалічне тверде тіло.

Подальші дослідження надтвердих матеріалів можуть призвести до кращого розуміння властивостей надплинних рідин та надпровідників, що матиме вирішальне значення для ефективного перенесення енергії. Надтверді речовини можуть бути ключем до розробки більш досконалих надпровідних магнітів і датчиків.

Не агрегатні стани, а фази

Чи є надтвердий стан речовиною? Відповідь, яку дає сучасна фізика, не така проста. Ми пам'ятаємо зі школи, що фізичний стан матерії є основною формою, в якій речовина знаходиться та визначає її основні фізичні властивості. Властивості речовини визначаються розташуванням і поведінкою його молекул. Традиційний поділ станів речовини XVII століття виділяє три такі стани: твердий (твердий), рідкий (рідкий) і газоподібний (газ).

Однак у час більш точним визначенням форм існування речовини є фаза матерії. Властивості тіл в окремих станах залежать від розташування молекул (або атомів), у тому числі ці тіла складаються. З цього погляду старий розподіл на агрегатні стану вірно лише деяких речовин, оскільки наукові дослідження показали, що те, що раніше вважалося єдиним агрегатним станом, насправді можна розділити на безліч фаз речовини, різняться за своєю природою. Конфігурація частинок. Бувають навіть ситуації, як у тому самому тілі молекули можуть розташовуватися по-різному у той самий час.

Більш того, виявилося, що твердий і рідкий стани можуть реалізовуватися різними способами. Кількість фаз речовини у системі та кількість інтенсивних змінних (наприклад, тиск, температура), які можна змінити без якісної зміни системи, описується принципом фаз Гіббса.

Зміна фази речовини може вимагати підведення або надходження енергії - тоді кількість енергії, що витікає, буде пропорційно масі речовини, що змінює фазу. Однак деякі фазові переходи відбуваються без підведення чи відведення енергії. Робимо висновок про зміну фази на підставі ступінчастої зміни деяких величин, що описують це тіло.

У найбільшої з опублікованих сьогодні класифікацій налічується близько п'ятисот агрегатних станів. Багато речовин, особливо ті, які є сумішшю різних хімічних сполук, можуть існувати одночасно у двох або більше фазах.

Сучасна фізика зазвичай приймає дві фази – рідку та тверду, причому газова фаза є одним із випадків рідкої фази. До останніх належать і різні види плазми, і вже згадана надпоточна фаза, та низка інших станів речовини. Тверді фази представлені різними кристалічними формами, і навіть аморфної формою.

Топологічні завия

Повідомлення про нові «агрегатні стани» або важко визначені фази матеріалів були постійним репертуаром наукових новин в останні роки. У той самий час віднести нові відкриття однієї із категорій який завжди просто. Описана раніше надтверда речовина, ймовірно, є твердою фазою, але, можливо, у фізиків інша думка. Кілька років тому в університетській лабораторії

У Колорадо, наприклад, із частинок арсеніду галію був створений дроплетон - щось рідке, щось тверде. У 2015 році міжнародна група вчених на чолі з хіміком Космасом Прасідесом з Університету Тохоку в Японії оголосила про відкриття нового стану речовини, що поєднує властивості ізолятора, надпровідника, металу і магніту, назвавши його металом Ян-Теллера.

Трапляються і нетипові «гібридні» агрегатні стани. Наприклад, скло немає кристалічної структури і тому іноді класифікується як «переохолоджена» рідина. Далі - рідкі кристали, які використовуються в деяких дисплеях; шпаклівка – силіконовий полімер, пластичний, еластичний чи навіть крихкий, залежно від швидкості деформації; суперлипка, самопоточна рідина (якось розпочавшись, перелив продовжуватиметься доти, доки не буде вичерпано запас рідини у верхній склянці); Нітінол, нікель-титановий сплав з пам'яттю форми - при згинанні випрямиться в потоці теплого повітря або рідини.

Класифікація стає дедалі складнішою. Сучасні технології стирають межі між станами матерії. Робляться нові відкриття. Лауреати Нобелівської премії 2016 року — Девід Дж. Таулесс, Ф. Дункан, М. Холдейн та Дж. Майкл Костерліц — поєднали два світи: матерію, яка є предметом дослідження фізики, та топологію, яка є розділом математики. Вони зрозуміли, що існують нетрадиційні фазові переходи, пов'язані з топологічними дефектами та нетрадиційними фазами матерії – топологічними фазами. Це спричинило лавину експериментальних і теоретичних робіт. Ця лавина все ще протікає дуже швидким потоком.

Деякі люди знову розглядають двовимірні матеріали як новий, унікальний стан матерії. Ми знаємо цей тип наномереж - фосфат, станен, борофен або, нарешті, популярний графен - вже багато років. Вищезгадані лауреати Нобелівської премії займалися зокрема топологічний аналіз цих одношарових матеріалів.

Старомодна наука про стан матерії та фази матерії, мабуть, пройшла довгий шлях. Далеко поза те, що ми ще можемо пам'ятати з уроків фізики.