Біз материяның барлық күйлерін білетін боламыз ба? Үш жүздің орнына бес жүз

Өткен жылы БАҚ «материяның бір түрі пайда болды» деген ақпаратты таратты, оны өте қатты немесе, мысалы, ыңғайлырақ, полякша, аса қатты деп атауға болады. Массачусетс технологиялық институтының ғалымдарының зертханаларынан келетін болсақ, бұл қатты және артық сұйықтықтардың қасиеттерін біріктіретін қайшылықтың бір түрі - яғни. тұтқырлығы нөлдік сұйықтықтар.

Физиктер бұған дейін үстіңгі қабаттың болуын болжаған, бірақ әзірге зертханада ұқсас ештеңе табылған жоқ. Массачусетс технологиялық институты ғалымдарының зерттеу нәтижелері Nature журналында жарияланды.

«Асқындылық пен қатты қасиеттерді біріктіретін зат ақылға қонымды емес», - деп жазды топ жетекшісі, MIT физика профессоры және 2001 жылғы Нобель сыйлығының лауреаты Вольфганг Кеттерле қағазда.

Материяның бұл қайшылықты түрін түсіну үшін Кеттерле командасы атомдардың қатты қатты күйдегі қозғалысын Бозе-Эйнштейн конденсаты (BEC) деп аталатын материяның басқа бір ерекше түрінде басқарды. Кеттерле - физикадан Нобель сыйлығын алған BEC ашушылардың бірі.

«Мәселе конденсатқа оның «атомдық тұзақ» сыртындағы пішінге айналуына және қатты дененің сипаттамаларына ие болуына әкелетін бірдеңе қосу болды», - деп түсіндірді Кеттерл.

Зерттеу тобы конденсаттағы атомдардың қозғалысын бақылау үшін ультра жоғары вакуумдық камерада лазер сәулелерін пайдаланды. Лазерлердің бастапқы жинағы BEC атомдарының жартысын басқа спин немесе кванттық фазаға айналдыру үшін пайдаланылды. Осылайша, БЭК-тің екі түрі құрылды. Қосымша лазер сәулелерінің көмегімен екі конденсат арасындағы атомдардың тасымалдануы спиндік өзгерістерді тудырды.

«Қосымша лазерлер атомдарға спин-орбиталық байланыс үшін қосымша энергияны қамтамасыз етті», - деді Кеттерл. Алынған зат, физиктердің болжамы бойынша, «өте қатты» болуы керек еді, өйткені спиндік орбитада конъюгацияланған атомдары бар конденсаттар өздігінен «тығыздық модуляциясымен» сипатталады. Басқаша айтқанда, заттың тығыздығы тұрақты болмай қалады. Оның орнына оның кристалды қатты денеге ұқсас фазалық үлгісі болады.

Өте қатты материалдарды одан әрі зерттеу энергияны тиімді тасымалдау үшін маңызды болатын асқын сұйықтықтар мен асқын өткізгіштердің қасиеттерін жақсырақ түсінуге әкелуі мүмкін. Сондай-ақ, супер қаттылар жақсы өткізгіш магниттер мен сенсорларды жасаудың кілті болуы мүмкін.

Агрегация күйлері емес, фазалар

Өте қатты күй зат па? Қазіргі физика беретін жауап соншалықты қарапайым емес. Заттың физикалық күйі заттың орналасқан негізгі формасы және оның негізгі физикалық қасиеттерін анықтайтыны мектептен есімізде. Заттың қасиеттері оны құрайтын молекулалардың орналасуымен және әрекетімен анықталады. XNUMX ғасырдағы заттардың күйлерінің дәстүрлі бөлінуі осындай үш күйді ажыратады: қатты (қатты), сұйық (сұйық) және газ тәрізді (газ).

Дегенмен, қазіргі кезде материяның фазасы материяның өмір сүру формаларының дәлірек анықтамасы болып көрінеді. Жеке күйлердегі денелердің қасиеттері осы денелер тұратын молекулалардың (немесе атомдардың) орналасуына байланысты. Осы тұрғыдан алғанда, бұрынғы агрегаттық күйлерге бөлу кейбір заттарға ғана қатысты, өйткені ғылыми зерттеулер бұрын агрегацияның біртұтас күйі болып саналатын нәрсенің шын мәнінде табиғаты жағынан ерекшеленетін заттың көптеген фазаларына бөлінуі мүмкін екенін көрсетті. бөлшектердің конфигурациясы. Тіпті бір денедегі молекулалардың бір уақытта басқаша орналасуы мүмкін жағдайлар да бар.

Сонымен қатар, қатты және сұйық күйлерді әртүрлі жолдармен жүзеге асыруға болатыны анықталды. Жүйедегі зат фазаларының саны және жүйеде сапалық өзгеріссіз өзгертуге болатын интенсивті айнымалылар саны (мысалы, қысым, температура) Гиббс фазалық принципімен сипатталады.

Заттың фазасының өзгеруі энергияны беруді немесе алуды қажет етуі мүмкін - сонда ағып жатқан энергия мөлшері фазаны өзгертетін заттың массасына пропорционалды болады. Дегенмен, кейбір фазалық ауысулар энергия кірісін немесе шығысынсыз жүреді. Осы денені сипаттайтын кейбір шамалардың қадамдық өзгеруі негізінде фазалық өзгеріс туралы қорытынды жасаймыз.

Осы уақытқа дейін жарияланған ең кең классификацияда бес жүзге жуық жиынтық күйлер бар. Көптеген заттар, әсіресе әртүрлі химиялық қосылыстардың қоспалары болып табылатын заттар бір уақытта екі немесе одан да көп фазаларда болуы мүмкін.

Қазіргі физика әдетте екі фазаны қабылдайды - сұйық және қатты, газ фазасы сұйық фаза жағдайларының бірі болып табылады. Соңғысына плазманың әртүрлі типтері, жоғарыда аталған суперток фазасы және материяның басқа да бірқатар күйлері жатады. Қатты фазалар әртүрлі кристалдық формалармен, сондай-ақ аморфты формамен ұсынылған.

Топологиялық зауия

Жаңа «жиынтық күйлер» немесе материалдардың анықтау қиын фазалары туралы есептер соңғы жылдардағы ғылыми жаңалықтардың тұрақты репертуарына айналды. Сонымен қатар, категориялардың біріне жаңа ашуларды тағайындау әрқашан оңай емес. Жоғарыда сипатталған қатты қатты зат қатты фаза болуы мүмкін, бірақ физиктердің пікірі басқаша болуы мүмкін. Бірнеше жыл бұрын университет зертханасында

Мысалы, Колорадо штатында галлий арсенидінің бөлшектерінен тамшы жасалды - сұйық, қатты нәрсе. 2015 жылы Жапониядағы Тохоку университетінің химик Космас Прасидес бастаған халықаралық ғалымдар тобы оқшаулағыш, асқын өткізгіш, металл және магнит қасиеттерін біріктіретін заттың жаңа күйі ашылғанын жариялап, оны Джан-Теллер металы деп атады.

Сондай-ақ атипті «гибридті» агрегаттық күйлер бар. Мысалы, шыны кристалдық құрылымға ие емес, сондықтан кейде «өте салқындатылған» сұйықтық ретінде жіктеледі. Одан әрі – кейбір дисплейлерде қолданылатын сұйық кристалдар; шпаклевка - деформация жылдамдығына байланысты силикон полимер, пластик, серпімді немесе тіпті сынғыш; өте жабысқақ, өздігінен ағатын сұйықтық (бір рет іске қосылғаннан кейін, үстіңгі шыныдағы сұйықтықтың берілуі таусылғанша толып кету жалғасады); Нитинол, никель-титан пішінді есте сақтайтын қорытпасы, майысқан кезде жылы ауада немесе сұйықтықта түзетіледі.

Классификация барған сайын күрделене түседі. Заманауи технологиялар материяның күйлері арасындағы шекараларды жояды. Жаңа ашылымдар жасалуда. 2016 жылғы Нобель сыйлығының лауреаттары – Дэвид Дж. Тоулес, Ф.Дункан, М.Халдейн және Дж.Майкл Костерлиц екі дүниені байланыстырды: физика пәні болып табылатын материя мен математиканың бір саласы болып табылатын топология. Олар топологиялық ақаулармен байланысты дәстүрлі емес фазалық ауысулар және материяның дәстүрлі емес фазалары – топологиялық фазалар бар екенін түсінді. Бұл эксперименттік және теориялық жұмыстардың көшкініне әкелді. Бұл көшкін әлі де өте жылдам қарқынмен ағып жатыр.

Кейбір адамдар қайтадан XNUMXD материалдарды материяның жаңа, бірегей күйі ретінде көреді. Біз наножелілердің бұл түрін - фосфатты, станенді, борофенді немесе, сайып келгенде, танымал графенді көп жылдар бойы білеміз. Жоғарыда аталған Нобель сыйлығының лауреаттары, атап айтқанда, осы бір қабатты материалдарды топологиялық талдауға қатысты.

Материяның күйлері мен фазалары туралы ескі үлгідегі ғылым ұзақ жолдан өткен сияқты. Физика сабақтарынан әлі күнге дейін есте сақтайтын нәрселерден әлдеқайда жоғары.