我們會知道物質的所有狀態嗎？ 而不是三、五百

去年，媒體流傳“一種物質形式已經出現”，可以被稱為超硬，或者更方便，儘管不那麼波蘭化的超硬。 來自麻省理工學院科學家的實驗室，這是一種結合了固體和超流體特性的矛盾——即粘度為零的液體。

物理學家此前曾預測過上清液的存在，但迄今為止在實驗室中尚未發現類似的情況。 麻省理工學院科學家的研究結果發表在《自然》雜誌上。

麻省理工學院物理學教授、2001 年諾貝爾獎獲得者、團隊負責人沃爾夫岡·凱特勒(Wolfgang Ketterle) 在論文中寫道：“一種結合了超流動性和固體特性的物質違背了常識。”

為了理解這種矛盾的物質形式，凱特爾的團隊在另一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）的特殊物質形式中操縱了超固體狀態下的原子運動。 凱特勒是BEC的發現者之一，並因此獲得了諾貝爾物理學獎。

“挑戰在於向凝結物中添加一些東西，使其發展成‘原子陷阱’之外的形式，並獲得固體的特性，”凱特爾解釋道。

研究小組在超高真空室中使用激光束來控制凝聚體中原子的運動。 最初的一組激光器用於將一半的 BEC 原子轉變為不同的自旋或量子相。 因此，創建了兩種類型的 BEC。 在附加激光束的幫助下，兩個凝聚體之間的原子轉移引起了自旋變化。

“額外的激光為原子提供了用於自旋軌道耦合的額外能量提升，”凱特爾說。 根據物理學家的預測，由此產生的物質應該是“超硬的”，因為自旋軌道上共軛原子的凝聚體將具有自發的“密度調製”特徵。 換句話說，物質的密度將不再恆定。 相反，它將具有類似於結晶固體的相模式。

對超硬材料的進一步研究可能會導致人們更好地了解超流體和超導體的特性，這對於有效的能量傳輸至關重要。 超硬材料也可能是開發更好的超導磁體和傳感器的關鍵。

不是聚合狀態，而是階段

超硬態是物質嗎？ 現代物理學給出的答案並不是那麼簡單。 我們在學校記得，物質的物理狀態是物質所處的主要形式，決定了其基本物理性質。 物質的性質由其組成分子的排列和行為決定。 XNUMX世紀傳統的物質狀態劃分區分了三種這樣的狀態：固體（solid）、液體（liquid）和氣體（gas）。

然而，目前看來，物質相似乎是對物質存在形式的更準確的定義。 各個狀態下物體的性質取決於組成這些物體的分子（或原子）的排列。 從這個角度來看，舊的聚集態劃分僅適用於某些物質，因為科學研究表明，以前被認為是單一聚集態的物質實際上可以分為性質不同的許多物質相。 粒子配置。 甚至在某些情況下，同一體內的分子可以同時以不同的方式排列。

此外，事實證明固態和液態可以通過多種方式實現。 吉布斯相原理描述了系統中物質的相數以及在系統中不發生質變的情況下可以改變的密集變量（例如壓力、溫度）的數量。

物質相的改變可能需要提供或接收能量——那麼流出的能量將與改變相的物質的質量成正比。 然而，一些相變在沒有能量輸入或輸出的情況下發生。 我們根據描述該物體的某些量的階躍變化得出關於相變的結論。

在迄今為止發布的最廣泛的分類中，總共有大約五百個州。 許多物質，特別是那些不同化合物的混合物，可以同時以兩個或多個相存在。

現代物理學通常接受兩種相——液體和固體，氣相是液相的情況之一。 後者包括各種類型的等離子體、已經提到的超電流相以及許多其他物質狀態。 固相由各種結晶形式以及無定形形式代表。

拓撲扎維亞

近年來，關於新的“聚合態”或難以定義的材料相的報導一直是科學新聞的常客。 與此同時，將新發現分配給某一類別並不總是那麼容易。 前面描述的超固體物質很可能是固相，但也許物理學家有不同的看法。 幾年前在大學實驗室

例如，在科羅拉多州，砷化鎵顆粒產生了液滴——有些是液體，有些是固體。 2015 年，由日本東北大學化學家 Cosmas Prasides 領導的國際科學家團隊宣布發現了一種新的物質狀態，它結合了絕緣體、超導體、金屬和磁鐵的特性，並將其稱為 Jahn-Teller 金屬。

還有非典型的“混合”聚合狀態。 例如，玻璃不具有晶體結構，因此有時被歸類為“過冷”液體。 此外 - 某些顯示器中使用的液晶； 膩子——有機矽聚合物、塑料、彈性甚至脆性，取決於變形率； 超粘性、自流液體（一旦啟動，溢出將持續，直至上層玻璃中的液體供應耗盡）； 鎳鈦諾是一種鎳鈦形狀記憶合金，在熱空氣或液體中彎曲時會變直。

分類變得越來越複雜。 現代技術消除了物質狀態之間的界限。 新的發現不斷出現。 2016 年諾貝爾獎獲得者 David J. Thouless、F. Duncan、M. Haldane 和 J. Michael Kosterlitz 連接了兩個世界：物質（物理學的主題）和拓撲（數學的一個分支）。 他們意識到存在與拓撲缺陷相關的非傳統相變和物質的非傳統相——拓撲相。 這導致了大量的實驗和理論工作。 這場雪崩仍在以非常快的速度流動。

有些人再次將二維材料視為一種新的、獨特的物質狀態。 我們已經知道這種類型的納米網絡——磷酸鹽、錫烯、硼烯，或者最後是流行的石墨烯——很多年了。 上述諾貝爾獎獲得者特別參與了這些單層材料的拓撲分析。

關於物質狀態和物質相的老式科學似乎已經取得了長足的進步。 遠遠超出了我們在物理課上仍然記得的內容。