Узнаем ли мы когда-нибудь все состояния материи? Вместо трех, пятисот
В прошлом году в СМИ распространилась информация о том, что «возникла форма материи», которую можно было бы назвать сверхтвердой или, например, более удобной, хотя и менее польской, — сверхтвердой. Пришедшее из лабораторий ученых Массачусетского технологического института, оно представляет собой некое противоречие, сочетающее в себе свойства твердых тел и сверхтекучих жидкостей — т.е. жидкостей с нулевой вязкостью.
Физики ранее предсказывали существование супернатанта, но пока ничего подобного в лаборатории не обнаружено. Результаты исследования ученых Массачусетского технологического института были опубликованы в журнале Nature.
«Вещество, сочетающее сверхтекучесть и твердые свойства, противоречит здравому смыслу», — написал в статье руководитель группы Вольфганг Кеттерле, профессор физики Массачусетского технологического института и лауреат Нобелевской премии 2001 года.
Чтобы разобраться в этой противоречивой форме материи, команда Кеттерле манипулировала движением атомов в сверхтвердом состоянии в другой своеобразной форме материи, называемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). Кеттерле является одним из первооткрывателей БЭК, что принесло ему Нобелевскую премию по физике.
«Задача заключалась в том, чтобы добавить к конденсату что-то, что заставило бы его развиться в форму за пределами «атомной ловушки» и приобрести характеристики твердого тела», — объяснил Кеттерле.
Исследовательская группа использовала лазерные лучи в камере сверхвысокого вакуума для управления движением атомов конденсата. Первоначальный набор лазеров использовался для преобразования половины атомов БЭК в другую спиновую или квантовую фазу. Таким образом, были созданы два типа БЭК. Перенос атомов между двумя конденсатами с помощью дополнительных лазерных лучей вызывал изменения спина.
«Дополнительные лазеры предоставили атомам дополнительный импульс энергии для спин-орбитальной связи», — сообщил Кеттерле. Полученное вещество, по предсказанию физиков, должно было быть «сверхтвердым», поскольку конденсаты с сопряженными атомами на спиновой орбите характеризовались бы спонтанной «модуляцией плотности». Другими словами, плотность материи перестала бы быть постоянной. Вместо этого он будет иметь фазовый узор, похожий на кристаллическое твердое тело.
Дальнейшие исследования сверхтвердых материалов могут привести к лучшему пониманию свойств сверхтекучих жидкостей и сверхпроводников, что будет иметь решающее значение для эффективного переноса энергии. Сверхтвердые вещества также могут быть ключом к разработке более совершенных сверхпроводящих магнитов и датчиков.
Не агрегатные состояния, а фазы
Является ли сверхтвердое состояние веществом? Ответ, который дает современная физика, не так прост. Мы помним со школы, что физическое состояние материи является основной формой, в которой вещество находится и определяет его основные физические свойства. Свойства вещества определяются расположением и поведением составляющих его молекул. Традиционное разделение состояний вещества XVII века выделяет три таких состояния: твердое (твердое), жидкое (жидкое) и газообразное (газ).
Однако в настоящее время более точным определением форм существования вещества представляется фаза материи. Свойства тел в отдельных состояниях зависят от расположения молекул (или атомов), из которых эти тела состоят. С этой точки зрения старое деление на агрегатные состояния верно лишь для некоторых веществ, так как научные исследования показали, что то, что раньше считалось единым агрегатным состоянием, на самом деле может быть разделено на множество фаз вещества, различающихся по своей природе. конфигурация частиц. Бывают даже ситуации, когда в одном и том же теле молекулы могут располагаться по-разному в одно и то же время.
Более того, оказалось, что твердое и жидкое состояния могут реализовываться самыми разными способами. Количество фаз вещества в системе и количество интенсивных переменных (например, давление, температура), которые можно изменить без качественного изменения системы, описывается принципом фаз Гиббса.
Изменение фазы вещества может потребовать подвода или поступления энергии — тогда количество вытекающей энергии будет пропорционально массе вещества, изменяющего фазу. Однако некоторые фазовые переходы происходят без подвода или отвода энергии. Делаем вывод об изменении фазы на основании ступенчатого изменения некоторых величин, описывающих это тело.
В самой обширной из опубликованных на сегодняшний день классификаций насчитывается около пятисот агрегатных состояний. Многие вещества, особенно те, которые представляют собой смеси различных химических соединений, могут существовать одновременно в двух или более фазах.
Современная физика обычно принимает две фазы – жидкую и твердую, причем газовая фаза является одним из случаев жидкой фазы. К последним относятся и различные виды плазмы, и уже упомянутая сверхтекущая фаза, и ряд других состояний вещества. Твердые фазы представлены различными кристаллическими формами, а также аморфной формой.
Топологические завия
Сообщения о новых «агрегатных состояниях» или трудно определяемых фазах материалов были постоянным репертуаром научных новостей в последние годы. В то же время отнести новые открытия к одной из категорий не всегда просто. Описанное ранее сверхтвердое вещество, вероятно, является твердой фазой, но, возможно, у физиков другое мнение. Несколько лет назад в университетской лаборатории
В Колорадо, например, из частиц арсенида галлия был создан дроплетон — что-то жидкое, что-то твердое. В 2015 году международная группа ученых во главе с химиком Космасом Прасидесом из Университета Тохоку в Японии объявила об открытии нового состояния вещества, сочетающего в себе свойства изолятора, сверхпроводника, металла и магнита, назвав его металлом Ян-Теллера.
Встречаются и нетипичные «гибридные» агрегатные состояния. Например, стекло не имеет кристаллической структуры и поэтому иногда классифицируется как «переохлажденная» жидкость. Далее — жидкие кристаллы, используемые в некоторых дисплеях; шпаклевка – силиконовый полимер, пластичный, эластичный или даже хрупкий, в зависимости от скорости деформации; суперлипкая, самотекущая жидкость (однажды начавшись, перелив будет продолжаться до тех пор, пока не будет исчерпан запас жидкости в верхнем стакане); Нитинол, никель-титановый сплав с памятью формы – при сгибании выпрямится в потоке теплого воздуха или в жидкости.
Классификация становится все более сложной. Современные технологии стирают границы между состояниями материи. Делаются новые открытия. Лауреаты Нобелевской премии 2016 года — Дэвид Дж. Таулесс, Ф. Дункан, М. Холдейн и Дж. Майкл Костерлиц — соединили два мира: материю, которая является предметом исследования физики, и топологию, являющуюся разделом математики. Они поняли, что существуют нетрадиционные фазовые переходы, связанные с топологическими дефектами и нетрадиционными фазами материи – топологическими фазами. Это привело к лавине экспериментальных и теоретических работ. Эта лавина все еще течет очень быстрым потоком.
Некоторые люди снова рассматривают двумерные материалы как новое, уникальное состояние материи. Мы знаем этот тип наносетей — фосфат, станенен, борофен или, наконец, популярный графен — уже много лет. Вышеупомянутые лауреаты Нобелевской премии занимались, в частности, топологический анализ этих однослойных материалов.
Старомодная наука о состояниях материи и фазах материи, по-видимому, прошла долгий путь. Далеко за пределами того, что мы еще можем помнить из уроков физики.
