Maddenin tüm hallerini hiç öğrenebilecek miyiz? Üç yerine beş yüz

Geçen yıl medyada süper sert veya örneğin daha az Polonyalı olmasına rağmen daha uygun, süper sert olarak adlandırılabilecek "bir madde biçiminin ortaya çıktığı" bilgisi yayıldı. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki bilim adamlarının laboratuvarlarından gelen bu kavram, katıların ve süperakışkan sıvıların özelliklerini birleştiren bir tür çelişkiyi temsil ediyor; sıfır viskoziteli sıvılar.

Fizikçiler daha önce bir süpernatanın varlığını öngörmüştü ancak şu ana kadar laboratuvarda buna benzer bir şey keşfedilmedi. MIT bilim adamlarının yaptığı çalışmanın sonuçları Nature dergisinde yayınlandı.

MIT fizik profesörü ve 2001 Nobel ödüllü ekip lideri Wolfgang Ketterle, makalede "Süper akışkanlığı ve katı özellikleri birleştiren madde sağduyuya meydan okuyor" diye yazdı.

Maddenin bu tartışmalı biçimini anlamak için Ketterle'nin ekibi, Bose-Einstein yoğunlaşması (BEC) adı verilen başka bir tuhaf madde biçimindeki süper katı atomların hareketini manipüle etti. Ketterle, kendisine Nobel Fizik Ödülü'nü kazandıran BEC'in kaşiflerinden biridir.

Ketterle, "Amaç, yoğunlaşmaya, onun atom tuzağının dışında bir forma dönüşmesine ve katı özellikleri kazanmasına neden olacak bir şey eklemekti" diye açıkladı.

Araştırma ekibi, yoğunlaşan atomların hareketini kontrol etmek için ultra yüksek bir vakum odasında lazer ışınlarını kullandı. BEC atomlarının yarısını farklı bir spin veya kuantum fazına dönüştürmek için ilk lazer seti kullanıldı. Böylece iki tür BEC oluşturuldu. Ek lazer ışınları kullanılarak iki yoğunlaşma arasında atomların aktarılması spin değişikliklerine neden oldu.

Ketterle, "Ek lazerler, atomlara spin-yörünge eşleşmesi için ekstra bir enerji patlaması sağladı" dedi. Fizikçilere göre ortaya çıkan maddenin "süper sert" olması gerekirdi çünkü spin yörüngesindeki eşlenik atomlu yoğunlaşmalar kendiliğinden "yoğunluk modülasyonu" ile karakterize edilirdi. Başka bir deyişle maddenin yoğunluğu sabit kalmayacaktır. Bunun yerine kristal katıya benzer bir faz düzenine sahip olacaktır.

Süper sert malzemelere ilişkin daha fazla araştırma, süper akışkanların ve süper iletkenlerin özelliklerinin daha iyi anlaşılmasına yol açabilir; bu da verimli enerji aktarımı için kritik öneme sahiptir. Süper sertler aynı zamanda daha iyi süper iletken mıknatıslar ve sensörler geliştirmenin de anahtarı olabilir.

Toplama durumları değil, aşamalar

Süper katı hal bir madde midir? Modern fiziğin verdiği cevap o kadar basit değil. Maddenin fiziksel durumunun, maddenin bulunduğu ana form olduğunu ve temel fiziksel özelliklerini belirlediğini okuldan hatırlıyoruz. Bir maddenin özellikleri, onu oluşturan moleküllerin düzeni ve davranışı tarafından belirlenir. Maddenin 17. yüzyıldaki geleneksel halleri üç durumu tanımlar: katı (katı), sıvı (sıvı) ve gaz (gaz).

Ancak günümüzde maddenin varoluş biçimlerinin daha doğru bir tanımı, maddenin evresi olarak görünmektedir. Bireysel hallerdeki cisimlerin özellikleri, bu cisimleri oluşturan moleküllerin (veya atomların) düzenine bağlıdır. Bu bakış açısına göre, toplanma durumlarına yapılan eski bölünme yalnızca bazı maddeler için doğrudur, çünkü bilimsel araştırmalar daha önce tek bir toplanma durumu olarak kabul edilen şeyin aslında maddenin doğası farklı olan birçok aşamasına bölünebileceğini göstermiştir. parçacık konfigürasyonu. Hatta aynı vücuttaki moleküllerin aynı anda farklı şekilde düzenlenebildiği durumlar bile vardır.

Üstelik katı ve sıvı hallerin çeşitli yollarla gerçekleştirilebileceği ortaya çıktı. Bir sistemdeki maddenin faz sayısı ve sistemi niteliksel olarak değiştirmeden değiştirilebilen yoğun değişkenlerin (örneğin basınç, sıcaklık) sayısı Gibbs faz prensibi ile tanımlanır.

Bir maddenin fazını değiştirmek, enerji sağlanmasını veya girişini gerektirebilir; bu durumda dışarı akan enerji miktarı, fazı değiştiren maddenin kütlesiyle orantılı olacaktır. Ancak bazı faz geçişleri enerji verilmeden veya uzaklaştırılmadan meydana gelir. Bu cismi tanımlayan bazı niceliklerin adım adım değişmesine dayanarak, fazdaki bir değişiklik hakkında bir sonuca varıyoruz.

Bugüne kadar yayınlanan en kapsamlı sınıflandırmada yaklaşık beş yüz toplama durumu vardır. Pek çok madde, özellikle de farklı kimyasal bileşiklerin karışımı olan maddeler, aynı anda iki veya daha fazla fazda mevcut olabilir.

Modern fizik genellikle iki fazı (sıvı ve katı) kabul eder; gaz fazı, sıvı fazın bir örneğidir. İkincisi, çeşitli plazma türlerini, daha önce bahsedilen süper akım fazını ve maddenin bir dizi başka durumunu içerir. Katı fazlar çeşitli kristal formların yanı sıra amorf bir formla temsil edilir.

Topolojik zavia'lar

Yeni "toplanma durumlarına" veya malzemelerin tanımlanması zor aşamalarına ilişkin raporlar, son yıllarda bilimsel haberlerin düzenli bir repertuvarı haline geldi. Aynı zamanda yeni keşifleri kategorilerden birine atamak her zaman kolay değildir. Daha önce açıklanan süper sert madde muhtemelen katı bir fazdır ancak fizikçiler farklı bir görüşe sahip olabilir. Birkaç yıl önce bir üniversite laboratuvarında

Örneğin Colorado'da, galyum arsenit parçacıklarından damlacık (sıvı ve katı bir şey) yaratıldı. 2015 yılında, Japonya'daki Tohoku Üniversitesi'nden kimyager Cosmas Prasides liderliğindeki uluslararası bir bilim insanları ekibi, bir yalıtkanın, bir süper iletkenin, bir metalin ve bir mıknatısın özelliklerini birleştiren ve ona Jahn-Teller metali adını veren yeni bir madde durumunun keşfini duyurdu. .

Ayrıca atipik "melez" toplanma durumları da vardır. Örneğin cam kristal bir yapıya sahip değildir ve bu nedenle bazen "aşırı soğutulmuş" sıvı olarak sınıflandırılır. Daha sonra bazı ekranlarda kullanılan sıvı kristaller gelir; macun - deformasyon hızına bağlı olarak silikon polimer, plastik, elastik ve hatta kırılgan; süper yapışkan, kendi kendine akan sıvı (bir kez başlatıldığında, üst camdaki sıvı tükenene kadar taşma devam edecektir); Şekil hafızalı bir nikel-titanyum alaşımı olan Nitinol, büküldüğünde sıcak hava akımında veya bir sıvı içinde düzleşir.

Sınıflandırma giderek daha karmaşık hale geliyor. Modern teknolojiler maddenin halleri arasındaki sınırları bulanıklaştırıyor. Yeni keşifler yapılıyor. 2016 Nobel Ödülü sahipleri David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane ve J. Michael Kosterlitz iki dünyayı birbirine bağladı: fiziğin konusu olan madde ve matematiğin bir dalı olan topoloji. Topolojik kusurlarla ve maddenin geleneksel olmayan aşamaları - topolojik aşamalarla ilişkili geleneksel olmayan faz geçişlerinin olduğunu fark ettiler. Bu, deneysel ve teorik çalışmaların çığ gibi büyümesine yol açtı. Bu çığ hâlâ çok hızlı akıyor.

Bazı insanlar yine iki boyutlu malzemelere maddenin yeni, benzersiz bir durumu olarak bakıyor. Bu tür nano ağları (fosfat, stanenen, borofen veya son olarak popüler grafen) uzun yıllardır biliyoruz. Yukarıda adı geçen Nobel ödül sahipleri, özellikle bu tek katmanlı malzemelerin topolojik analizinde yer aldılar.

Maddenin halleri ve fazları hakkındaki eski moda bilim, görünüşe göre uzun bir yol kat etti. Fizik derslerinden hatırlayabildiğimizin çok ötesinde.