Kas me kunagi teame kõiki aine olekuid? Kolme asemel viissada

Eelmisel aastal levis meedias info, et “on tekkinud ainevorm”, mida võiks nimetada ülikõvaks või näiteks mugavamaks, ehkki vähem poolakaks ülikõvaks. Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teadlaste laboritest pärit on omamoodi vastuolu, mis ühendab endas tahkete ainete ja ülivedelike omadused – s.t. nullviskoossusega vedelikud.

Füüsikud on varem ennustanud supernatandi olemasolu, kuid siiani pole laboris midagi sarnast leitud. Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teadlaste uuringu tulemused avaldati ajakirjas Nature.

"Aine, mis ühendab ülivoolavuse ja tahked omadused, trotsib tervet mõistust," kirjutas töörühma juht, MITi füüsikaprofessor ja 2001. aasta Nobeli preemia laureaat Wolfgang Ketterle.

Selle vastuolulise ainevormi mõistmiseks manipuleeris Ketterle'i meeskond ülitahkes olekus aatomite liikumist teises omapärases ainevormis, mida nimetatakse Bose-Einsteini kondensaadiks (BEC). Ketterle on üks BEC-i avastajaid, mis tõi talle Nobeli füüsikaauhinna.

"Väljakutse oli lisada kondensaadile midagi, mis muudaks selle "aatomilõksust" väljaspool olevaks vormiks ja omandaks tahke aine omadused," selgitas Ketterle.

Uurimisrühm kasutas ülikõrge vaakumkambris laserkiirte abil aatomite liikumist kondensaadis. Algset laserite komplekti kasutati poolte BEC-aatomite teisendamiseks erinevaks spin- või kvantfaasiks. Seega loodi kahte tüüpi BEC-sid. Aatomite ülekandmine kahe kondensaadi vahel täiendavate laserkiirte abil põhjustas spinmuutusi.

"Täiendavad laserid andsid aatomitele täiendava energialaengu spin-orbiidi ühendamiseks, " ütles Ketterle. Saadud aine oleks füüsikute ennustuse kohaselt pidanud olema "ülikõva", kuna spin-orbiidil konjugeeritud aatomitega kondensaate iseloomustaks spontaanne "tihedusmodulatsioon". Teisisõnu, aine tihedus lakkab olemast konstantne. Selle asemel on selle faasimuster, mis sarnaneb kristalse tahke ainega.

Ülikõvade materjalide edasised uuringud võivad aidata paremini mõista supervedelike ja ülijuhtide omadusi, mis on tõhusa energiaülekande jaoks kriitilise tähtsusega. Superkõvad võivad olla ka võti paremate ülijuhtivate magnetite ja andurite väljatöötamisel.

Mitte agregatsiooni olekud, vaid faasid

Kas ülikõva olek on aine? Kaasaegse füüsika antud vastus pole nii lihtne. Kooliajast mäletame, et aine füüsikaline olek on põhivorm, milles aine paikneb ja määrab selle füüsikalised põhiomadused. Aine omadused määratakse selle koostises olevate molekulide paigutuse ja käitumise järgi. XNUMX. sajandi traditsiooniline aine olekute jaotus eristab kolme sellist olekut: tahke (tahke), vedel (vedel) ja gaasiline (gaas).

Praegu näib aga mateeria faas olevat mateeria olemasoluvormide täpsem definitsioon. Üksikutes olekutes olevate kehade omadused sõltuvad molekulide (või aatomite) paigutusest, millest need kehad koosnevad. Sellest vaatevinklist kehtib vana agregatsiooniseisunditeks jaotus ainult osade ainete puhul, kuna teaduslikud uuringud on näidanud, et varem üheks agregatsiooniseisundiks peetavat ainet saab tegelikult jagada paljudeks olemuselt erinevateks faasideks. osakeste konfiguratsioon. On isegi olukordi, kus ühes kehas olevad molekulid võivad korraga paikneda erinevalt.

Veelgi enam, selgus, et tahket ja vedelat olekut saab realiseerida mitmel viisil. Aine faaside arvu süsteemis ja intensiivsete muutujate hulka (näiteks rõhk, temperatuur), mida saab muuta ilma süsteemi kvalitatiivse muutuseta, kirjeldab Gibbsi faasiprintsiip.

Aine faasimuutus võib nõuda energia tarnimist või vastuvõtmist – siis on väljavoolava energia hulk võrdeline faasi muutva aine massiga. Mõned faasisiirded toimuvad aga ilma energia sisendi või väljundita. Järelduse faasimuutuse kohta teeme mõne seda keha kirjeldava suuruse astmelise muutumise põhjal.

Seni avaldatud kõige ulatuslikumas klassifikatsioonis on umbes viissada koondolekut. Paljud ained, eriti need, mis on erinevate keemiliste ühendite segud, võivad eksisteerida samaaegselt kahes või enamas faasis.

Kaasaegne füüsika aktsepteerib tavaliselt kahte faasi - vedelat ja tahket faasi, kusjuures gaasifaas on üks vedela faasi juhtudest. Viimaste hulka kuuluvad erinevat tüüpi plasma, juba mainitud ülivoolufaas ja hulk muid aine olekuid. Tahkeid faase esindavad mitmesugused kristalsed vormid, aga ka amorfne vorm.

Topoloogiline zawiya

Raportid materjalide uutest "koondseisunditest" või raskesti määratletavatest faasidest on viimastel aastatel olnud pidev teadusuudiste repertuaar. Samal ajal ei ole uute avastuste määramine ühte kategooriasse alati lihtne. Eelnevalt kirjeldatud ülitahke aine on tõenäoliselt tahke faas, kuid võib-olla on füüsikutel erinev arvamus. Paar aastat tagasi ülikooli laboris

Näiteks Colorados loodi galliumarseniidi osakestest tilk – midagi vedelat, midagi tahket. 2015. aastal teatas Jaapani Tohoku ülikooli keemiku Cosmas Prasidesi juhitud rahvusvaheline teadlaste meeskond uue aine oleku avastamisest, mis ühendab endas isolaatori, ülijuhi, metalli ja magneti omadused, nimetades seda Jahn-Telleri metalliks.

On ka ebatüüpilisi "hübriidseid" agregaatolekuid. Näiteks klaasil puudub kristalne struktuur ja seetõttu liigitatakse see mõnikord "ülijahutatud" vedelikuks. Lisaks - mõnel kuvaril kasutatavad vedelkristallid; kitt - silikoonpolümeer, plastik, elastne või isegi rabe, sõltuvalt deformatsiooni kiirusest; ülikleepuv isevoolne vedelik (kui see on alanud, jätkub ülevool, kuni ülemises klaasis olev vedelikuvaru on lõppenud); Nitinool, nikli-titaani kujuga mälusulam, sirgub painutamisel sooja õhu või vedeliku käes.

Klassifikatsioon muutub järjest keerulisemaks. Kaasaegsed tehnoloogiad kustutavad piirid aine olekute vahel. Tehakse uusi avastusi. 2016. aasta Nobeli preemia laureaadid – David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane ja J. Michael Kosterlitz – ühendasid kaks maailma: aine, mis on füüsika aine, ja topoloogia, mis on matemaatika haru. Nad mõistsid, et on olemas mittetraditsioonilised faasisiirded, mis on seotud topoloogiliste defektidega, ja mateeria mittetraditsioonilised faasid – topoloogilised faasid. See tõi kaasa eksperimentaalse ja teoreetilise töö laviini. See laviin voolab ikka väga kiires tempos.

Mõned inimesed näevad taas XNUMXD-materjale uue, ainulaadse aine olekuna. Oleme seda tüüpi nanovõrke – fosfaat, staneen, borofeen või lõpuks populaarne grafeen – tundnud juba aastaid. Eelnimetatud Nobeli preemia laureaadid on osalenud eelkõige nende ühekihiliste materjalide topoloogilises analüüsis.

Vanamoodne teadus aine olekute ja ainefaaside kohta näib olevat kaugele jõudnud. Kaugelt kaugemale sellest, mida me veel füüsikatundidest mäletame.