Saremu mai tutti i stati di a materia ? Invece di trè, cinque centu

L'annu passatu, i media sparghjenu l'infurmazioni chì "una forma di materia hè ghjunta", chì puderia esse chjamatu superhard o, per esempiu, più còmuda, ancu s'ellu menu polacco, superhard. Venendu da i laboratorii di scientisti in l'Istitutu di Tecnulugia di Massachusetts, hè un tipu di cuntradizioni chì combina e proprietà di solidi è superfluids - i.e. liquidi cù viscosità zero.

I fisici anu preditu prima l'esistenza di un supernatant, ma finu à avà nunda di simile hè statu trovu in u laboratoriu. I risultati di u studiu da i scientisti di l'Istitutu di Tecnulugia di Massachusetts sò stati publicati in a rivista Nature.

"Una sustanza chì combina superfluidità è proprietà solide sfida u sensu cumunu", u capu di a squadra Wolfgang Ketterle, prufissore di fisica in MIT è vincitore di u Premiu Nobel 2001, hà scrittu in u paper.

Per fà u sensu di sta forma contradictoria di a materia, a squadra di Ketterle hà manipulatu u muvimentu di l'atomi in un statu supersolidu in una altra forma peculiar di materia chjamata Bose-Einstein condensate (BEC). Ketterle hè unu di i scupertori di BEC, chì hà guadagnatu u Premiu Nobel in Fisica.

"U sfida era di aghjunghje qualcosa à u cundensatu chì l'averia da evoluzione in una forma fora di a" trappula atomica "è acquistà e caratteristiche di un solidu", spiegò Ketterle.

U gruppu di ricerca hà utilizatu raghji laser in una camera di vacuum ultra-altu per cuntrullà u muvimentu di l'atomi in u condensatu. U settore uriginale di lasers sò stati utilizati per trasfurmà a mità di l'atomi BEC in una fase di spin o quantum differente. Cusì, dui tipi di BEC sò stati creati. U trasferimentu di l'atomi trà dui condensati cù l'aiutu di raghji laser supplementari hà causatu cambiamenti di spin.

"I laser supplementari furnì à l'atomi un impulsu energeticu supplementu per l'accoppiamentu spin-orbita", disse Ketterle. A sustanza resultanti, sicondu a prediczione di i fisici, duveria esse "superhard", postu chì i condensati cù l'atomi cunjugati in una orbita di spin seranu carattarizati da "modulazione di densità" spontanea. In altri palori, a densità di a materia cessaria di esse constante. Invece, avarà un mudellu di fasi simili à un solidu cristalinu.

Ulteriori ricerche in i materiali superduri ponu purtà à una megliu comprensione di e proprietà di superfluids è superconductors, chì seranu critichi per un trasferimentu di energia efficiente. I superhards ponu ancu esse a chjave per sviluppà magneti è sensori superconduttori megliu.

Micca stati di aggregazione, ma fasi

Hè u statu superduru una sustanza? A risposta data da a fisica muderna ùn hè micca cusì simplice. Ricurdamu da a scola chì u statu fisicu di a materia hè a forma principale in quale si trova a sustanza è determina e so proprietà fisiche basiche. E proprietà di una sustanza sò determinate da a disposizione è u cumpurtamentu di e so molécule custituenti. A divizia tradiziunale di i stati di a materia di u XNUMXu seculu distingue trè stati: solidu (solidu), liquidu (liquidu) è gasu (gas).

In ogni casu, in u prisente, a fase di a materia pare esse una definizione più precisa di e forme di esistenza di a materia. I pruprietà di i corpi in i stati individuali dependenu di l'arrangiamentu di e molécule (o atomi) di quale sti corpi sò cumposti. Da stu puntu di vista, l'antica divisione in stati di aggregazione hè vera solu per certi sustanzi, postu chì a ricerca scientifica hà dimustratu chì ciò chì prima era cunsideratu un unicu statu di aggregazione pò esse divisu in parechje fasi di una sustanza chì differ in natura. cunfigurazione di particella. Ci hè ancu situazione quandu e molécule in u stessu corpu ponu esse disposti in modu diversu à u stessu tempu.

Inoltre, hè stata chì i stati solidi è liquidi ponu esse realizatu in una varietà di manere. U nùmeru di fasi di a materia in u sistema è u nùmeru di variàbili intensivi (per esempiu, pressione, temperatura) chì ponu esse cambiatu senza un cambiamentu qualitatiu in u sistema sò discrittu da u principiu di a fase di Gibbs.

Un cambiamentu in a fase di una sustanza pò esse bisognu di u fornimentu o ricivutu di l'energia - allora a quantità di energia chì scorri serà proporzionale à a massa di a sustanza chì cambia a fase. Tuttavia, alcune transizioni di fase si verificanu senza input o output di energia. Tiremu una cunclusione nantu à u cambiamentu di fasa basatu annantu à u cambiamentu stepwise di qualchi quantità chì descrizanu stu corpu.

In a classificazione più larga publicata finu à a data, ci sò circa cinque centu stati aggregati. Parechje sustanzi, soprattuttu quelli chì sò mischi di cumposti chimichi diffirenti, ponu esiste simultaneamente in duie o più fasi.

A fisica muderna generalmente accetta duie fasi - liquidu è solidu, cù a fase di gasu esse unu di i casi di a fase liquida. L'ultimi includenu diversi tipi di plasma, a fase supercurrente digià citata, è una quantità di altri stati di a materia. I fasi solidi sò rapprisintati da diverse forme cristalline, è ancu una forma amorfa.

Zawiya topologica

I rapporti di novi "stati aggregati" o fasi difficiuli di definisce di materiali sò stati un repertoriu constante di nutizie scientifiche in l'ultimi anni. À u listessu tempu, assignà novi scuperte à una di e categurie ùn hè micca sempre faciule. A sustanza supersolida descritta prima hè probabilmente una fase solida, ma forsi i fisici anu una opinione diversa. Qualchi anni fà in un laboratoriu universitariu

In Colorado, per esempiu, un dropleton hè statu creatu da particeddi di arsenidu di galiu - qualcosa di liquidu, qualcosa di solidu. In u 2015, una squadra internaziunale di scientisti guidata da u chimicu Cosmas Prasides à l'Università di Tohoku in Giappone hà annunziatu a scuperta di un novu statu di materia chì combina e proprietà di un insulator, superconductor, metallu è magnetu, chjamendu u metallu Jahn-Teller.

Ci sò ancu stati atipici "ibridi" aggregati. Per esempiu, u vetru ùn hà micca una struttura cristallina è per quessa hè qualchì volta classificatu cum'è un liquidu "supercooled". In più - cristalli liquidi usati in certi display; putty - polimeru di silicone, plastica, elastica o ancu fragile, secondu a rata di deformazione; liquid super-sticky, self-flowing (una volta cuminciatu, u overflow continuerà finu à chì u suministru di liquidu in u vetru superiore hè esauritu); Nitinol, una alea di memoria di forma di nichel-titanio, si raddrizzarà in l'aria calda o in liquidu quandu hè curvatu.

A classificazione diventa sempre più cumplessa. I tecnulugii muderni sguassate i cunfini trà i stati di a materia. Novi scuperte sò fatti. I vincitori di u Premiu Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane è J. Michael Kosterlitz - cunnessu dui mondi: a materia, chì hè u sughjettu di a fisica, è a topologia, chì hè un ramu di a matematica. Anu capitu chì ci sò transizzioni di fasi non tradiziunali assuciati cù difetti topologichi è fasi non tradiziunali di a materia - fasi topologiche. Questu hà purtatu à una avalanche di travagliu sperimentale è teoricu. Sta valanga scorre sempre à un ritmu assai veloce.

Certi pirsuni sò torna à vede i materiali XNUMXD cum'è un novu statu unicu di materia. Avemu cunnisciutu stu tipu di nanonetwork - fosfate, stanene, borophene, o, infine, u popular graphene - per parechji anni. I vincitori di u Premiu Nobel sopra citati sò stati implicati, in particulare, in l'analisi topologica di sti materiali unicu stratu.

A scienza antica di i stati di a materia è di e fasi di a materia pare avè fattu assai. Al di là di ciò chì pudemu ancu ricurdà da e lezioni di fisica.