Biz materiyaning barcha holatlarini bilib olamizmi? Uch, besh yuz o'rniga
O'tgan yili ommaviy axborot vositalarida "moddaning bir shakli paydo bo'ldi" degan ma'lumot tarqaldi, uni o'ta qattiq yoki, masalan, qulayroq, ammo kamroq polyakcha, o'ta qattiq deb atash mumkin. Massachusets texnologiya instituti olimlarining laboratoriyalaridan kelib chiqqan holda, bu qattiq va super suyuqliklarning xususiyatlarini birlashtirgan bir xil qarama-qarshilikdir - ya'ni. nol yopishqoqlikka ega suyuqliklar.
Ilgari fiziklar supernatant mavjudligini bashorat qilishgan, ammo hozirgacha laboratoriyada shunga o'xshash narsa topilmagan. Massachusets texnologiya instituti olimlari tomonidan olib borilgan tadqiqot natijalari Nature jurnalida chop etildi.
Guruh rahbari, MIT fizika professori va 2001 yilgi Nobel mukofoti sovrindori Volfgang Ketterle gazetada “O‘ta suyuqlik va qattiq xususiyatlarni o‘zida mujassam etgan modda sog‘lom fikrga ziddir”, deb yozadi.
Materiyaning bu qarama-qarshi shaklini tushunish uchun Ketterl jamoasi atomlarning o'ta qattiq holatda bo'lgan harakatini Bose-Eynshteyn kondensati (BEC) deb ataladigan boshqa o'ziga xos materiya shaklida manipulyatsiya qildi. Ketterl fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan BEC kashfiyotchilaridan biridir.
"Qiyinchilik kondensatga uning "atom tuzog'i" dan tashqaridagi shaklga aylanishiga va qattiq jismning xususiyatlariga ega bo'lishiga olib keladigan biror narsa qo'shish edi", deb tushuntirdi Ketterl.
Tadqiqot guruhi kondensatdagi atomlarning harakatini nazorat qilish uchun ultra yuqori vakuum kamerasida lazer nurlaridan foydalangan. Lazerlarning asl to'plami BEC atomlarining yarmini boshqa spin yoki kvant fazasiga aylantirish uchun ishlatilgan. Shunday qilib, ikki turdagi BEC yaratildi. Ikki kondensat o'rtasida atomlarning qo'shimcha lazer nurlari yordamida o'tkazilishi spinning o'zgarishiga olib keldi.
"Qo'shimcha lazerlar atomlarni spin-orbita ulanishi uchun qo'shimcha energiya bilan ta'minladi", dedi Ketterl. Olingan modda, fiziklarning bashoratiga ko'ra, "o'ta qattiq" bo'lishi kerak edi, chunki spin orbitasidagi konjugatsiyalangan atomlari bo'lgan kondensatlar o'z-o'zidan "zichlik modulyatsiyasi" bilan tavsiflanadi. Boshqacha qilib aytganda, materiyaning zichligi doimiy bo'lishni to'xtatadi. Buning o'rniga, u kristalli qattiq moddaga o'xshash fazaviy naqshga ega bo'ladi.
O'ta qattiq materiallar bo'yicha keyingi tadqiqotlar o'ta suyuqliklar va o'ta o'tkazgichlarning xususiyatlarini yaxshiroq tushunishga olib kelishi mumkin, bu esa energiyani samarali uzatish uchun juda muhimdir. Superhardlar, shuningdek, yaxshi o'tkazuvchan magnitlar va sensorlarni ishlab chiqish uchun kalit bo'lishi mumkin.
Birikish holatlari emas, balki fazalar
O'ta qattiq holat moddami? Zamonaviy fizika tomonidan berilgan javob unchalik oddiy emas. Biz maktabdan eslaymizki, moddaning fizik holati moddaning joylashgan asosiy shakli bo'lib, uning asosiy fizik xususiyatlarini belgilaydi. Moddaning xossalari uni tashkil etuvchi molekulalarning joylashishi va harakati bilan belgilanadi. XVII asrdagi materiya holatlarining an'anaviy bo'linishi uchta shunday holatni ajratib turadi: qattiq (qattiq), suyuq (suyuq) va gazsimon (gaz).
Biroq, hozirgi vaqtda materiya fazasi materiyaning mavjudligi shakllarining aniqroq ta'rifi kabi ko'rinadi. Jismlarning alohida holatlardagi xossalari ushbu jismlar tuzilgan molekulalarning (yoki atomlarning) joylashishiga bog'liq. Shu nuqtai nazardan qaraganda, agregatsiya holatlariga eski bo‘linish faqat ba’zi moddalar uchun to‘g‘ri keladi, chunki ilmiy izlanishlar shuni ko‘rsatdiki, ilgari yagona yig‘ilish holati deb hisoblangan narsa aslida tabiatan bir-biridan farq qiluvchi moddaning ko‘p fazalariga bo‘linishi mumkin. zarrachalar konfiguratsiyasi. Hatto bir xil tanadagi molekulalar bir vaqtning o'zida turlicha joylashishi mumkin bo'lgan holatlar mavjud.
Bundan tashqari, qattiq va suyuq holatni turli yo'llar bilan amalga oshirish mumkinligi ma'lum bo'ldi. Tizimdagi moddaning fazalari soni va tizimda sifat oʻzgarmasdan oʻzgarishi mumkin boʻlgan intensiv oʻzgaruvchilar soni (masalan, bosim, harorat) Gibbs faza prinsipi bilan tavsiflanadi.
Moddaning fazasining o'zgarishi energiyani etkazib berish yoki olishni talab qilishi mumkin - keyin chiqadigan energiya miqdori fazani o'zgartiradigan moddaning massasiga mutanosib bo'ladi. Shu bilan birga, ba'zi fazali o'tishlar energiya kirishi yoki chiqishisiz sodir bo'ladi. Ushbu jismni tavsiflovchi ba'zi miqdorlarning bosqichma-bosqich o'zgarishi asosida faza o'zgarishi haqida xulosa chiqaramiz.
Bugungi kunga qadar e'lon qilingan eng keng qamrovli tasnifda besh yuzga yaqin agregat davlatlar mavjud. Ko'pgina moddalar, ayniqsa turli xil kimyoviy birikmalarning aralashmasi bo'lgan moddalar bir vaqtning o'zida ikki yoki undan ortiq fazalarda mavjud bo'lishi mumkin.
Zamonaviy fizika odatda ikkita fazani qabul qiladi - suyuq va qattiq, gaz fazasi suyuq faza holatlaridan biridir. Ikkinchisiga plazmaning har xil turlari, yuqorida aytib o'tilgan o'ta oqim fazasi va materiyaning bir qator boshqa holatlari kiradi. Qattiq fazalar turli xil kristalli shakllar, shuningdek, amorf shakl bilan ifodalanadi.
Topologik zaviya
Yangi "agregat holatlar" yoki materiallarning aniqlash qiyin bosqichlari haqidagi hisobotlar so'nggi yillarda ilmiy yangiliklarning doimiy repertuariga aylandi. Shu bilan birga, toifalardan biriga yangi kashfiyotlarni belgilash har doim ham oson emas. Yuqorida tavsiflangan supersolid modda, ehtimol, qattiq fazadir, lekin fiziklarning fikri boshqacha. Bir necha yil oldin universitet laboratoriyasida
Masalan, Koloradoda galliy arsenidining zarralaridan tomchi — suyuq, qattiq narsa hosil qilingan. 2015-yilda Yaponiyaning Toxoku universitetida kimyogar Kosmas Prasides boshchiligidagi xalqaro olimlar jamoasi izolyator, o‘ta o‘tkazgich, metall va magnit xususiyatlarini o‘zida mujassam etgan moddaning yangi holatini kashf etgani va uni Jahn-Teller metalli deb ataganini e’lon qildi.
Atipik "gibrid" agregat holatlar ham mavjud. Misol uchun, shisha kristalli tuzilishga ega emas va shuning uchun ba'zan "o'ta sovutilgan" suyuqlik sifatida tasniflanadi. Keyinchalik - ba'zi displeylarda ishlatiladigan suyuq kristallar; macun - deformatsiya tezligiga qarab silikon polimer, plastmassa, elastik yoki hatto mo'rt; super-yopishqoq, o'z-o'zidan oqadigan suyuqlik (bir marta ishga tushirilgandan so'ng, yuqori oynadagi suyuqlik ta'minoti tugagunga qadar toshib ketish davom etadi); Nitinol, nikel-titan shaklidagi xotira qotishmasi, egilganida iliq havoda yoki suyuqlikda tekislanadi.
Tasniflash tobora murakkablashib bormoqda. Zamonaviy texnologiyalar materiya holatlari orasidagi chegaralarni yo'q qiladi. Yangi kashfiyotlar qilinmoqda. 2016 yilgi Nobel mukofoti laureatlari – Devid J. Taules, F. Dunkan, M. Xolden va J. Maykl Kosterlits ikki dunyoni bog‘ladilar: fizikaning predmeti bo‘lgan materiya va matematikaning bir bo‘limi bo‘lgan topologiya. Ular topologik nuqsonlar va materiyaning noan'anaviy fazalari - topologik fazalar bilan bog'liq noan'anaviy fazali o'tishlar mavjudligini angladilar. Bu eksperimental va nazariy ishlarning ko'chkisiga olib keldi. Bu ko'chki hali ham juda tez sur'atlar bilan oqmoqda.
Ba'zi odamlar yana XNUMXD materiallarni materiyaning yangi, noyob holati sifatida ko'rishmoqda. Biz nanotarmoqning bunday turini - fosfat, stanen, borofen yoki, nihoyat, mashhur grafenni ko'p yillar davomida bilamiz. Yuqorida tilga olingan Nobel mukofoti sovrindorlari, xususan, ushbu bir qatlamli materiallarni topologik tahlil qilishda ishtirok etishgan.
Moddaning holati va fazalari haqidagi eskicha fan uzoq yo'lni bosib o'tganga o'xshaydi. Fizika darslaridan biz haligacha eslay oladigan narsalarimizdan uzoqroq.
