Liệu chúng ta có bao giờ biết được tất cả các trạng thái của vật chất không? Thay vì ba, năm trăm

Năm ngoái, các phương tiện truyền thông đã lan truyền thông tin rằng “một dạng vật chất đã hình thành,” có thể được gọi là siêu cứng hoặc, ví dụ, tiện lợi hơn, mặc dù ít Ba Lan hơn, siêu cứng. Đến từ các phòng thí nghiệm của các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts, nó là một loại mâu thuẫn kết hợp các đặc tính của chất rắn và chất siêu lỏng - tức là chất lỏng có độ nhớt bằng không.

Các nhà vật lý trước đây đã dự đoán về sự tồn tại của một chất nổi trên bề mặt, nhưng cho đến nay vẫn chưa có gì tương tự được tìm thấy trong phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts đã được công bố trên tạp chí Nature.

Trưởng nhóm nghiên cứu Wolfgang Ketterle, giáo sư vật lý tại MIT và người đoạt giải Nobel năm 2001, viết trong bài báo: “Một chất kết hợp giữa tính chất siêu lỏng và đặc tính rắn bất chấp suy nghĩ thông thường.

Để hiểu về dạng vật chất trái ngược này, nhóm của Ketterle đã điều khiển chuyển động của các nguyên tử ở trạng thái siêu rắn trong một dạng vật chất đặc biệt khác được gọi là chất ngưng tụ Bose-Einstein (BEC). Ketterle là một trong những người phát hiện ra BEC, đã mang về cho ông giải Nobel Vật lý.

Ketterle giải thích: “Thách thức là thêm một thứ gì đó vào chất ngưng tụ để khiến nó phát triển thành một dạng bên ngoài 'bẫy nguyên tử' và có được các đặc tính của chất rắn.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng chùm tia laze trong một buồng chân không siêu cao để điều khiển chuyển động của các nguyên tử trong chất ngưng tụ. Bộ laser ban đầu được sử dụng để biến đổi một nửa số nguyên tử BEC thành một spin hoặc pha lượng tử khác. Do đó, hai loại BEC đã được tạo ra. Sự chuyển giao các nguyên tử giữa hai điểm ngưng tụ với sự trợ giúp của các chùm tia laze bổ sung gây ra sự thay đổi spin.

Ketterle cho biết: “Các tia laze bổ sung đã cung cấp cho các nguyên tử một sự gia tăng năng lượng bổ sung cho sự ghép nối quỹ đạo spin. Chất tạo thành, theo dự đoán của các nhà vật lý, lẽ ra phải là "siêu cứng", vì các chất ngưng tụ với các nguyên tử liên hợp trong một quỹ đạo spin sẽ được đặc trưng bởi "điều biến mật độ" tự phát. Nói cách khác, mật độ của vật chất sẽ không đổi. Thay vào đó, nó sẽ có dạng pha tương tự như chất rắn kết tinh.

Nghiên cứu sâu hơn về vật liệu siêu cứng có thể giúp hiểu rõ hơn về các đặc tính của chất siêu lỏng và chất siêu dẫn, điều này sẽ rất quan trọng để truyền năng lượng hiệu quả. Siêu cứng cũng có thể là chìa khóa để phát triển nam châm và cảm biến siêu dẫn tốt hơn.

Không phải trạng thái tổng hợp, mà là các giai đoạn

Trạng thái siêu cứng có phải là một chất không? Câu trả lời được đưa ra bởi vật lý hiện đại không đơn giản như vậy. Từ trường, chúng ta đã nhớ rằng trạng thái vật chất của vật chất là dạng chính mà chất đó nằm ở đâu và xác định các tính chất vật lý cơ bản của nó. Các thuộc tính của một chất được xác định bởi sự sắp xếp và hoạt động của các phân tử cấu thành của nó. Sự phân chia truyền thống của các trạng thái vật chất của thế kỷ XNUMX phân biệt ba trạng thái đó là: rắn (rắn), lỏng (lỏng) và khí (khí).

Tuy nhiên, hiện nay, giai đoạn của vật chất dường như là một định nghĩa chính xác hơn về các dạng tồn tại của vật chất. Đặc tính của các cơ thể ở các trạng thái riêng lẻ phụ thuộc vào sự sắp xếp của các phân tử (hoặc nguyên tử) mà các cơ thể này được cấu tạo. Theo quan điểm này, sự phân chia cũ thành các trạng thái tập hợp chỉ đúng với một số chất, vì nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng những gì trước đây được coi là một trạng thái tập hợp thực sự có thể được chia thành nhiều pha của một chất khác nhau về bản chất. cấu hình hạt. Thậm chí có những trường hợp khi các phân tử trong cùng một cơ thể có thể được sắp xếp khác nhau tại cùng một thời điểm.

Hơn nữa, nó chỉ ra rằng trạng thái rắn và lỏng có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Số lượng giai đoạn của vật chất trong hệ thống và số lượng các biến số chuyên sâu (ví dụ, áp suất, nhiệt độ) có thể thay đổi mà không làm thay đổi chất lượng trong hệ thống được mô tả bằng nguyên lý pha Gibbs.

Một sự thay đổi trong pha của một chất có thể yêu cầu cung cấp hoặc nhận năng lượng - khi đó lượng năng lượng chảy ra sẽ tỷ lệ với khối lượng của chất thay đổi pha. Tuy nhiên, một số quá trình chuyển pha xảy ra mà không có đầu vào hoặc đầu ra năng lượng. Chúng tôi rút ra kết luận về sự thay đổi pha dựa trên sự thay đổi từng bước của một số đại lượng mô tả vật thể này.

Trong bảng phân loại rộng rãi nhất được công bố cho đến nay, có khoảng năm trăm trạng thái tổng hợp. Nhiều chất, đặc biệt là những chất là hỗn hợp của các hợp chất hóa học khác nhau, có thể tồn tại đồng thời ở hai hoặc nhiều pha.

Vật lý hiện đại thường chấp nhận hai pha - lỏng và rắn, với pha khí là một trong những trường hợp của pha lỏng. Loại thứ hai bao gồm nhiều loại plasma khác nhau, pha siêu dòng đã được đề cập và một số trạng thái khác của vật chất. Các pha rắn được thể hiện bằng các dạng tinh thể khác nhau, cũng như dạng vô định hình.

Zawiya tô pô

Các báo cáo về "trạng thái tổng hợp" mới hoặc các giai đoạn khó xác định của vật liệu đã trở thành kho tin tức khoa học liên tục trong những năm gần đây. Đồng thời, việc gán các khám phá mới cho một trong các hạng mục không phải lúc nào cũng dễ dàng. Chất siêu rắn được mô tả trước đó có lẽ là một pha rắn, nhưng có lẽ các nhà vật lý có quan điểm khác. Một vài năm trước trong phòng thí nghiệm của trường đại học

Ví dụ, ở Colorado, một giọt nhỏ được tạo ra từ các hạt gali arsenide - chất lỏng, chất rắn. Năm 2015, một nhóm các nhà khoa học quốc tế do nhà hóa học Cosmas Prasides đứng đầu tại Đại học Tohoku, Nhật Bản đã công bố phát hiện ra một trạng thái vật chất mới kết hợp các đặc tính của chất cách điện, siêu dẫn, kim loại và nam châm, gọi nó là kim loại Jahn-Teller.

Ngoài ra còn có các trạng thái tổng hợp "lai" không điển hình. Ví dụ, thủy tinh không có cấu trúc tinh thể và do đó đôi khi được phân loại là chất lỏng "siêu lạnh". Hơn nữa - tinh thể lỏng được sử dụng trong một số màn hình; bột bả - silicone polymer, dẻo, đàn hồi hoặc thậm chí giòn, tùy thuộc vào tốc độ biến dạng; chất lỏng siêu dính, tự chảy (một khi bắt đầu, quá trình tràn sẽ tiếp tục cho đến khi cạn kiệt nguồn cung cấp chất lỏng ở kính trên); Nitinol, một hợp kim nhớ hình niken-titan, sẽ thẳng ra trong không khí ấm hoặc chất lỏng khi bị uốn cong.

Việc phân loại ngày càng trở nên phức tạp hơn. Các công nghệ hiện đại xóa bỏ ranh giới giữa các trạng thái của vật chất. Những khám phá mới đang được thực hiện. Những người đoạt giải Nobel năm 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane và J. Michael Kosterlitz - đã kết nối hai thế giới: vật chất, là chủ đề của vật lý và cấu trúc liên kết, là một nhánh của toán học. Họ nhận ra rằng có những chuyển pha phi truyền thống liên quan đến các khiếm khuyết tôpô và các pha phi truyền thống của vật chất - các pha tôpô. Điều này dẫn đến một loạt các công việc thực nghiệm và lý thuyết. Trận tuyết lở này vẫn đang chảy với tốc độ rất nhanh.

Một số người lại đang xem vật liệu XNUMXD như một trạng thái vật chất mới, duy nhất. Chúng ta đã biết đến loại mạng nano này - photphat, stanene, borophene, hay cuối cùng là graphene phổ biến - trong nhiều năm. Đặc biệt, những người đoạt giải Nobel nói trên đã tham gia vào quá trình phân tích tôpô của các vật liệu một lớp này.

Khoa học lỗi thời về các trạng thái của vật chất và các giai đoạn của vật chất dường như đã đi được một chặng đường dài. Vượt xa những gì chúng ta vẫn có thể nhớ được từ các bài học vật lý.