آیا ما هرگز تمام حالات ماده را خواهیم دانست؟ به جای سه، پانصد

سال گذشته، رسانه ها اطلاعاتی را منتشر کردند که "شکلی از ماده به وجود آمده است" که می توان آن را فوق سخت یا، برای مثال، راحت تر، هرچند کمتر لهستانی، فوق سخت نامید. از آزمایشگاه‌های دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست، این یک نوع تضاد است که خواص جامدات و ابرسیال‌ها را با هم ترکیب می‌کند. مایعات با ویسکوزیته صفر

فیزیکدانان قبلا وجود ماده رویی را پیش بینی کرده بودند، اما تاکنون چیزی مشابه آن در آزمایشگاه یافت نشده است. نتایج مطالعه دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست در مجله Nature منتشر شد.

ولفگانگ کترل، سرپرست تیم، استاد فیزیک دانشگاه MIT و برنده جایزه نوبل در سال 2001، در این مقاله نوشت: "ماده ای که ابرسیالیت و خواص جامد را ترکیب می کند، عقل سلیم را به چالش می کشد."

برای درک این شکل متناقض ماده، تیم کترل حرکت اتم ها را در حالت فوق جامد در شکل عجیب دیگری از ماده به نام چگالش بوز-اینشتین (BEC) دستکاری کردند. کترل یکی از کاشفان BEC است که جایزه نوبل فیزیک را برای او به ارمغان آورد.

کترل توضیح داد: «چالش اضافه کردن چیزی به میعانات بود که باعث می شد آن را به شکلی خارج از «تله اتمی» تبدیل کند و ویژگی های یک جامد را به دست آورد.

تیم تحقیقاتی از پرتوهای لیزر در یک محفظه خلاء فوق العاده بالا برای کنترل حرکت اتم ها در میعان استفاده کرد. مجموعه اصلی لیزرها برای تبدیل نیمی از اتم های BEC به یک اسپین یا فاز کوانتومی متفاوت استفاده شد. بنابراین، دو نوع BEC ایجاد شد. انتقال اتم ها بین دو میعان با کمک پرتوهای لیزر اضافی باعث تغییرات اسپین شد.

کترل گفت: «لیزرهای اضافی برای اتم‌ها انرژی اضافی برای جفت شدن مدار چرخشی فراهم کردند. ماده حاصل، طبق پیش‌بینی فیزیکدانان، باید «فوق سخت» می‌بود، زیرا میعانات با اتم‌های مزدوج در مدار چرخشی با «مدولاسیون چگالی» خود به خود مشخص می‌شوند. به عبارت دیگر، چگالی ماده ثابت نخواهد ماند. در عوض، الگوی فازی مشابه جامدات کریستالی خواهد داشت.

تحقیقات بیشتر در مورد مواد فوق سخت ممکن است منجر به درک بهتر خواص ابرسیال ها و ابررساناها شود که برای انتقال کارآمد انرژی حیاتی خواهد بود. ابرهاردها همچنین ممکن است کلید توسعه آهنرباها و حسگرهای ابررسانا بهتر باشند.

نه حالت های تجمع، بلکه مراحل

آیا حالت فوق سخت یک ماده است؟ پاسخی که فیزیک مدرن داده است چندان ساده نیست. از مدرسه به یاد داریم که حالت فیزیکی ماده شکل اصلی است که ماده در آن قرار دارد و خصوصیات فیزیکی اساسی آن را تعیین می کند. خواص یک ماده با آرایش و رفتار مولکول های تشکیل دهنده آن مشخص می شود. تقسیم بندی سنتی حالت های ماده در قرن هفدهم، سه حالت را متمایز می کند: جامد (جامد)، مایع (مایع) و گاز (گاز).

اما در حال حاضر فاز ماده تعریف دقیق تری از اشکال وجود ماده به نظر می رسد. خواص اجسام در حالت های جداگانه به آرایش مولکول ها (یا اتم هایی) که این اجسام از آنها تشکیل شده اند بستگی دارد. از این منظر، تقسیم قدیمی به حالت‌های تجمع فقط برای برخی از مواد صادق است، زیرا تحقیقات علمی نشان داده است که آنچه قبلاً به عنوان حالت واحد تجمع در نظر گرفته می‌شد، در واقع می‌تواند به بسیاری از مراحل یک ماده تقسیم شود که ماهیت متفاوتی دارند. پیکربندی ذرات حتی موقعیت‌هایی وجود دارد که مولکول‌ها در یک جسم می‌توانند در یک زمان متفاوت مرتب شوند.

علاوه بر این، مشخص شد که حالت جامد و مایع را می توان به روش های مختلفی درک کرد. تعداد فازهای ماده در سیستم و تعداد متغیرهای فشرده (به عنوان مثال، فشار، دما) که می توانند بدون تغییر کیفی در سیستم تغییر کنند، با اصل فاز گیبس توصیف می شوند.

تغییر در فاز یک ماده ممکن است نیاز به تامین یا دریافت انرژی داشته باشد - در این صورت مقدار انرژی خارج شده متناسب با جرم ماده ای خواهد بود که فاز را تغییر می دهد. با این حال، برخی از انتقال فاز بدون ورودی یا خروجی انرژی رخ می دهد. ما در مورد تغییر فاز بر اساس یک تغییر پله ای در مقادیری که این جسم را توصیف می کند، نتیجه گیری می کنیم.

در گسترده ترین طبقه بندی که تا به امروز منتشر شده است، حدود پانصد حالت کلی وجود دارد. بسیاری از مواد، به ویژه آنهایی که مخلوطی از ترکیبات شیمیایی مختلف هستند، می توانند به طور همزمان در دو یا چند فاز وجود داشته باشند.

فیزیک مدرن معمولاً دو فاز را می پذیرد - مایع و جامد که فاز گاز یکی از موارد فاز مایع است. دومی شامل انواع مختلف پلاسما، فاز فوق جریان فوق الذکر و تعدادی دیگر از حالت های ماده است. فازهای جامد با اشکال کریستالی مختلف و همچنین یک فرم بی شکل نشان داده می شوند.

زاویه توپولوژیک

گزارش‌های مربوط به «وضعیت‌های کل» جدید یا فازهای غیرقابل تعریف مواد، مجموعه‌ای از اخبار علمی ثابت در سال‌های اخیر بوده است. در عین حال، اختصاص اکتشافات جدید به یکی از مقوله ها همیشه آسان نیست. ماده فوق جامد که قبلا توضیح داده شد احتمالاً یک فاز جامد است، اما شاید فیزیکدانان نظر متفاوتی داشته باشند. چند سال پیش در آزمایشگاه دانشگاه

به عنوان مثال، در کلرادو، یک قطره از ذرات آرسنید گالیم - چیزی مایع، چیزی جامد - ایجاد شد. در سال 2015، یک تیم بین المللی از دانشمندان به سرپرستی شیمیدان Cosmas Prasides در دانشگاه توهوکو در ژاپن، کشف حالت جدیدی از ماده را اعلام کردند که خواص یک عایق، ابررسانا، فلز و آهنربا را با هم ترکیب می کند و آن را فلز Jahn-Teller نامیدند.

حالت‌های ترکیبی غیر معمولی نیز وجود دارد. به عنوان مثال، شیشه ساختار کریستالی ندارد و به همین دلیل گاهی اوقات به عنوان مایع "فوق العاده خنک" طبقه بندی می شود. علاوه بر این - کریستال های مایع مورد استفاده در برخی از نمایشگرها. بتونه - پلیمر سیلیکونی، پلاستیک، الاستیک یا حتی شکننده، بسته به میزان تغییر شکل. مایع فوق چسبنده و خود جریان (به محض شروع، سرریز تا زمانی که ذخیره مایع در شیشه بالایی تمام شود ادامه می یابد). نیتینول، یک آلیاژ حافظه دار نیکل-تیتانیوم، در هوای گرم یا مایع وقتی خم شود صاف می شود.

طبقه بندی پیچیده تر و پیچیده تر می شود. فن آوری های مدرن مرزهای بین حالت های ماده را پاک می کند. اکتشافات جدید در حال انجام است. برندگان جایزه نوبل 2016 - دیوید جی. تولس، اف. دانکن، ام. هالدان و جی. مایکل کوسترلیتز - دو جهان را به هم متصل کردند: ماده که موضوع فیزیک است و توپولوژی که شاخه ای از ریاضیات است. آنها متوجه شدند که انتقال فاز غیر سنتی مرتبط با نقص توپولوژیکی و فازهای غیر سنتی ماده - فازهای توپولوژیکی وجود دارد. این امر منجر به انبوهی از کارهای تجربی و نظری شد. این بهمن همچنان با سرعت بسیار بالایی در جریان است.

برخی از مردم دوباره مواد دو بعدی را به عنوان یک حالت جدید و منحصر به فرد از ماده می بینند. سال‌هاست که ما این نوع نانوشبکه - فسفات، استانن، بوروفن یا در نهایت گرافن محبوب را می‌شناسیم. برندگان جایزه نوبل فوق به ویژه در تحلیل توپولوژیکی این مواد تک لایه شرکت داشته اند.

به نظر می رسد علم قدیمی حالات ماده و مراحل ماده راه درازی را طی کرده است. بسیار فراتر از چیزی که هنوز از درس های فیزیک به یاد می آوریم.