私たちは物質のすべての状態を知ることができるでしょうか？ XNUMX、XNUMXの代わりに

昨年、メディアは「物質の形が生じた」という情報を広めました。これは、スーパーハード、または、たとえば、ポーランド語ではありませんが、より便利なスーパーハードと呼ばれる可能性があります。 マサチューセッツ工科大学の科学者の研究室から来て、それは固体と超流動の特性を組み合わせた一種の矛盾です-すなわち。 粘度がゼロの液体。

物理学者は以前に上澄みの存在を予測していましたが、これまでのところ、実験室で同様のものは見つかりませんでした。 マサチューセッツ工科大学の科学者による研究の結果は、ジャーナルNatureに掲載されました。

「超流動性と固体特性を組み合わせた物質は常識に反する」と、MITの物理学教授で2001年のノーベル賞受賞者であるチームリーダーのヴォルフガング・ケッタールは論文に書いている。

この相反する物質の形態を理解するために、ケッタールのチームは、ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）と呼ばれる別の特異な物質の形態で超固体状態の原子の運動を操作しました。 ケッタールはBECの発見者の一人であり、ノーベル物理学賞を受賞しています。

「課題は、凝縮液に何かを追加して、それを「原子トラップ」の外側の形に進化させ、固体の特性を獲得することでした」とケッタールは説明しました。

研究チームは、超高真空チャンバー内でレーザービームを使用して、凝縮液中の原子の動きを制御しました。 元のレーザーセットを使用して、BEC原子の半分を別のスピンまたは量子相に変換しました。 したがって、XNUMX種類のBECが作成されました。 追加のレーザービームの助けを借りたXNUMXつの凝縮物間の原子の移動はスピン変化を引き起こしました。

「追加のレーザーは、スピン軌道相互作用のための追加のエネルギーブーストを原子に提供しました」とケッタールは言いました。 物理学者の予測によれば、結果として生じる物質は「超硬」であるはずです。なぜなら、スピン軌道の共役原子との凝縮物は、自発的な「密度変調」によって特徴付けられるからです。 言い換えれば、物質の密度は一定ではなくなります。 代わりに、結晶性固体に似た位相パターンを持ちます。

超硬材料のさらなる研究は、効率的なエネルギー伝達のために重要となる超流動および超伝導体の特性のより良い理解につながる可能性があります。 スーパーハードは、より優れた超伝導磁石とセンサーを開発するための鍵となる可能性もあります。

集約の状態ではなく、フェーズ

超硬状態は物質ですか？ 現代物理学によって与えられる答えはそれほど単純ではありません。 私たちは学校から、物質の物理的状態が物質が置かれる主な形態であり、その基本的な物理的特性を決定することを覚えています。 物質の特性は、その構成分子の配置と動作によって決まります。 XNUMX世紀の物質の状態の伝統的な区分は、固体（固体）、液体（液体）、気体（気体）のXNUMXつの状態を区別します。

しかし、現在のところ、物質の相は物質の存在形態のより正確な定義であるように思われます。 個々の状態の物体の特性は、これらの物体を構成する分子（または原子）の配置によって異なります。 この観点から、以前は単一の凝集状態と考えられていたものが実際には性質が異なる物質の多くの段階に分割できることが科学研究によって示されたため、凝集状態への古い分割は一部の物質にのみ当てはまります。 粒子構成。 同じ体内の分子が同時に異なって配置される可能性がある状況さえあります。

さらに、固体状態と液体状態はさまざまな方法で実現できることがわかりました。 システム内の物質の相の数と、システムの質的な変化なしに変更できる示量性と示強変数（圧力、温度など）の数は、ギブス相の原理によって記述されます。

物質の相の変化は、エネルギーの供給または受け取りを必要とする場合があります。その場合、流出するエネルギーの量は、相を変化させる物質の質量に比例します。 ただし、一部の相転移は、エネルギーの入力または出力なしで発生します。 この体を説明するいくつかの量のステップ変化に基づいて、相変化について結論を出します。

これまでに発表された最も広範な分類には、約XNUMXの集計状態があります。 多くの物質、特に異なる化合物の混合物である物質は、XNUMXつ以上の相で同時に存在する可能性があります。

現代の物理学は通常、液体と固体の XNUMX つの相を受け入れます。気相は液相のケースの XNUMX つです。 後者には、さまざまなタイプのプラズマ、前述の超電流フェーズ、およびその他の多くの物質の状態が含まれます。 固相は、さまざまな結晶形と非晶質形で表されます。

トポロジカルザウィヤ

材料の新しい「集合状態」または定義が難しい段階の報告は、近年、科学ニュースの絶え間ないレパートリーとなっています。 同時に、カテゴリのXNUMXつに新しい発見を割り当てることは必ずしも簡単ではありません。 前述の超固体物質はおそらく固相ですが、おそらく物理学者は別の意見を持っています。 数年前、大学の研究室で

たとえば、コロラドでは、ガリウムヒ素の粒子からドロプルトンが作成されました。液体の粒子と固体の粒子です。 2015年、日本の東北大学の化学者Cosmas Prasidesが率いる国際的な科学者チームは、絶縁体、超伝導体、金属、磁石の特性を組み合わせた新しい物質の状態の発見を発表しました。これをヤーンテラー金属と呼びます。

非定型の「ハイブリッド」集約状態もあります。 たとえば、ガラスは結晶構造を持たないため、「過冷却」液体に分類されることがあります。 さらに、一部のディスプレイで使用される液晶。 パテ - 変形率に応じて、シリコーンポリマー、プラスチック、弾性、またはもろい。 超粘着性の自己流動性液体 (一度開始すると、上部ガラスの液体の供給がなくなるまでオーバーフローが続きます)。 ニッケルチタン形状記憶合金であるニチノールは、曲げると暖かい空気や液体の中でまっすぐになります。

分類はますます複雑になります。 現代のテクノロジーは、物質の状態間の境界を消し去ります。 新しい発見が行われています。 2016 年のノーベル賞受賞者である David J. Thouless、F. Duncan、M. Haldane、J. Michael Kosterlitz は、物理学の主題である物質と数学の一分野であるトポロジーという XNUMX つの世界を結びつけました。 彼らは、位相欠陥に関連する非伝統的な相転移と、物質の非伝統的な相、つまりトポロジカル相があることに気付きました。 これにより、実験的および理論的な作業が雪崩になりました。 この雪崩は今も猛スピードで流れています。

一部の人々は、XNUMXD素材を新しいユニークな物質の状態として再び見ています。 このタイプのナノネットワーク（リン酸塩、スタネン、ボロフェン、または最後に人気のあるグラフェン）は、長年にわたって知られています。 前述のノーベル賞受賞者は、特にこれらの単層材料のトポロジー解析に関与しています。

物質の状態と物質の相に関する昔ながらの科学は、長い道のりを歩んできたようです。 物理学の授業でまだ覚えていることをはるかに超えています。