გავიგებთ ოდესმე მატერიის ყველა მდგომარეობას? სამის ნაცვლად ხუთასი

გასულ წელს მედიაში გავრცელდა ინფორმაცია, რომ „გაჩნდა მატერიის ფორმა“, რომელსაც შეიძლება ეწოდოს სუპერმყარი ან, მაგალითად, უფრო მოსახერხებელი, თუმცა ნაკლებად პოლონური, სუპერმყარი. მოდის მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის მეცნიერთა ლაბორატორიებიდან, ეს არის ერთგვარი წინააღმდეგობა, რომელიც აერთიანებს მყარი და ზესითხეების თვისებებს - ე.ი. სითხეები ნულოვანი სიბლანტით.

ფიზიკოსები ადრეც იწინასწარმეტყველეს სუპერნატანტის არსებობა, მაგრამ ჯერჯერობით მსგავსი არაფერია ნაპოვნი ლაბორატორიაში. მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის მეცნიერთა კვლევის შედეგები ჟურნალ Nature-ში გამოქვეყნდა.

„ნივთიერება, რომელიც აერთიანებს ზესთხევადობას და მყარ თვისებებს, ეწინააღმდეგება საღი აზროვნებას“, - წერს ნაშრომში გუნდის ლიდერი ვოლფგანგ კეტერლე, MIT-ის ფიზიკის პროფესორი და 2001 წლის ნობელის პრემიის ლაურეატი.

მატერიის ამ ურთიერთგამომრიცხავი ფორმის გასაგებად, კეტერლის გუნდმა მანიპულირება მოახდინა ატომების მოძრაობაზე ზემყარ მდგომარეობაში მატერიის სხვა თავისებურ ფორმაში, რომელსაც ეწოდება ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი (BEC). კეტერლი არის BEC-ის ერთ-ერთი აღმომჩენი, რომელმაც მას ნობელის პრემია ფიზიკაში მიანიჭა.

„გამოწვევა იყო კონდენსატში რაიმეს დამატება, რაც გამოიწვევდა მის განვითარებას „ატომური ხაფანგის“ მიღმა და მყარი ნივთიერების მახასიათებლებზე“, - განმარტა კეტერლემ.

კვლევითმა ჯგუფმა გამოიყენა ლაზერის სხივები ულტრამაღალ ვაკუუმ კამერაში, რათა აკონტროლოს ატომების მოძრაობა კონდენსატში. ლაზერების თავდაპირველი ნაკრები გამოიყენებოდა BEC ატომების ნახევრის გადასაქცევად სხვადასხვა სპინის ან კვანტურ ფაზაში. ამრიგად, შეიქმნა ორი ტიპის BEC. ატომების გადატანა ორ კონდენსატს შორის დამატებითი ლაზერული სხივების დახმარებით გამოიწვია სპინის ცვლილებები.

„დამატებითმა ლაზერებმა ატომებს დამატებითი ენერგეტიკული სტიმული მისცა სპინი-ორბიტის შეერთებისთვის“, - თქვა კეტერლემ. შედეგად მიღებული ნივთიერება, ფიზიკოსების პროგნოზით, უნდა ყოფილიყო „ზემყარი“, რადგან სპინის ორბიტაზე კონიუგირებული ატომებით კონდენსატები სპონტანური „სიმკვრივის მოდულაცია“ იქნებოდა დამახასიათებელი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მატერიის სიმკვრივე შეწყვეტს მუდმივ არსებობას. ამის ნაცვლად, მას ექნება ფაზის ნიმუში მსგავსი კრისტალური მყარი.

ზემყარი მასალების შემდგომმა კვლევამ შეიძლება გამოიწვიოს ზესთხევადებისა და სუპერგამტარების თვისებების უკეთ გაგება, რაც გადამწყვეტი იქნება ენერგიის ეფექტური გადაცემისთვის. სუპერმყარი ასევე შეიძლება იყოს გასაღები უკეთესი სუპერგამტარი მაგნიტებისა და სენსორების შესაქმნელად.

არა აგრეგაციის მდგომარეობები, არამედ ფაზები

არის თუ არა სუპერმყარი მდგომარეობა ნივთიერება? თანამედროვე ფიზიკის პასუხი არც ისე მარტივია. სკოლიდან გვახსოვს, რომ მატერიის ფიზიკური მდგომარეობა არის ძირითადი ფორმა, რომელშიც ნივთიერება მდებარეობს და განსაზღვრავს მის ძირითად ფიზიკურ თვისებებს. ნივთიერების თვისებები განისაზღვრება მისი შემადგენელი მოლეკულების განლაგებითა და ქცევით. მე-XNUMX საუკუნის მატერიის მდგომარეობების ტრადიციული დაყოფა განასხვავებს სამ ასეთ მდგომარეობას: მყარი (მყარი), თხევადი (თხევადი) და აირისებრი (გაზი).

თუმცა, ამჟამად, მატერიის ფაზა, როგორც ჩანს, მატერიის არსებობის ფორმების უფრო ზუსტი განმარტებაა. ცალკეულ მდგომარეობებში სხეულების თვისებები დამოკიდებულია მოლეკულების (ან ატომების) განლაგებაზე, რომელთაგანაც ეს სხეულები შედგება. ამ თვალსაზრისით, აგრეგაციის მდგომარეობებად ძველი დაყოფა მართალია მხოლოდ ზოგიერთ ნივთიერებაზე, რადგან მეცნიერულმა კვლევამ აჩვენა, რომ ის, რაც ადრე ითვლებოდა აგრეგაციის ერთ მდგომარეობად, რეალურად შეიძლება დაიყოს ნივთიერების მრავალ ფაზად, რომლებიც განსხვავდება ბუნებით. ნაწილაკების კონფიგურაცია. არის სიტუაციებიც კი, როდესაც ერთსა და იმავე სხეულში მოლეკულები შეიძლება განსხვავებულად განლაგდეს ერთდროულად.

უფრო მეტიც, აღმოჩნდა, რომ მყარი და თხევადი მდგომარეობა შეიძლება განხორციელდეს სხვადასხვა გზით. სისტემაში მატერიის ფაზების რაოდენობა და ინტენსიური ცვლადების რაოდენობა (მაგალითად, წნევა, ტემპერატურა), რომლებიც შეიძლება შეიცვალოს სისტემაში ხარისხობრივი ცვლილების გარეშე, აღწერილია გიბსის ფაზის პრინციპით.

ნივთიერების ფაზის ცვლილებამ შეიძლება მოითხოვოს ენერგიის მიწოდება ან მიღება - მაშინ გადინებული ენერგიის რაოდენობა პროპორციული იქნება ნივთიერების მასისა, რომელიც ცვლის ფაზას. თუმცა, ზოგიერთი ფაზის გადასვლა ხდება ენერგიის შეყვანის ან გამომავალი გარეშე. ჩვენ ვაკეთებთ დასკვნას ფაზის ცვლილების შესახებ გარკვეული რაოდენობის საფეხურების ცვლილების საფუძველზე, რომლებიც აღწერს ამ სხეულს.

დღემდე გამოქვეყნებულ ყველაზე ვრცელ კლასიფიკაციაში დაახლოებით ხუთასი საერთო მდგომარეობაა. ბევრი ნივთიერება, განსაკუთრებით ის, რომელიც წარმოადგენს სხვადასხვა ქიმიური ნაერთების ნარევებს, შეიძლება ერთდროულად არსებობდეს ორ ან მეტ ფაზაში.

თანამედროვე ფიზიკა ჩვეულებრივ იღებს ორ ფაზას - თხევადი და მყარი, თხევადი ფაზის ერთ-ერთი შემთხვევა გაზის ფაზაა. ეს უკანასკნელი მოიცავს სხვადასხვა სახის პლაზმას, უკვე აღნიშნულ სუპერდინების ფაზას და მატერიის სხვა მდგომარეობებს. მყარი ფაზები წარმოდგენილია სხვადასხვა კრისტალური ფორმით, ასევე ამორფული ფორმით.

ტოპოლოგიური ზავია

ახალი „აგრეგატული მდგომარეობის“ ან მასალების ძნელად განსაზღვრული ფაზების შესახებ მოხსენებები ბოლო წლების სამეცნიერო სიახლეების მუდმივი რეპერტუარი იყო. ამავდროულად, ახალი აღმოჩენების ერთ-ერთ კატეგორიაში მინიჭება ყოველთვის ადვილი არ არის. ადრე აღწერილი სუპერმყარი ნივთიერება, ალბათ, მყარი ფაზაა, მაგრამ შესაძლოა ფიზიკოსებს განსხვავებული აზრი აქვთ. რამდენიმე წლის წინ უნივერსიტეტის ლაბორატორიაში

კოლორადოში, მაგალითად, წვეთოვანი გალიუმის არსენიდის ნაწილაკებისგან შეიქმნა - რაღაც თხევადი, რაღაც მყარი. 2015 წელს, იაპონიის ტოჰოკუს უნივერსიტეტის მეცნიერთა საერთაშორისო ჯგუფმა კოსმას პრასიდესის ხელმძღვანელობით გამოაცხადა მატერიის ახალი მდგომარეობის აღმოჩენა, რომელიც აერთიანებს იზოლატორის, ზეგამტარის, ლითონისა და მაგნიტის თვისებებს და უწოდა მას Jahn-Teller ლითონი.

ასევე არსებობს ატიპიური "ჰიბრიდული" აგრეგატული მდგომარეობები. მაგალითად, მინას არ აქვს კრისტალური სტრუქტურა და ამიტომ ზოგჯერ კლასიფიცირდება როგორც "ზედმეტად გაცივებული" სითხე. შემდგომი - თხევადი კრისტალები, რომლებიც გამოიყენება ზოგიერთ ეკრანზე; პუტი - სილიკონის პოლიმერი, პლასტიკური, ელასტიური ან თუნდაც მყიფე, დეფორმაციის სიჩქარის მიხედვით; სუპერ წებოვანი, თვითნაკადური სითხე (დაწყების შემდეგ, გადადინება გაგრძელდება მანამ, სანამ ზედა მინაში სითხის მარაგი არ ამოიწურება); ნიტინოლი, ნიკელ-ტიტანის ფორმის მეხსიერების შენადნობი, გასწორდება თბილ ჰაერში ან სითხეში, როდესაც მოხრილდება.

კლასიფიკაცია უფრო და უფრო რთული ხდება. თანამედროვე ტექნოლოგიები შლის საზღვრებს მატერიის მდგომარეობებს შორის. ახალი აღმოჩენები კეთდება. 2016 წლის ნობელის პრემიის ლაურეატებმა - დევიდ ჯ. ტულესი, ფ. დანკანი, მ. ჰალდანი და ჯ. მაიკლ კოსტერლიცი - დააკავშირეს ორი სამყარო: მატერია, რომელიც ფიზიკის საგანია და ტოპოლოგია, რომელიც მათემატიკის ფილიალია. მათ გააცნობიერეს, რომ არსებობს არატრადიციული ფაზური გადასვლები, რომლებიც დაკავშირებულია ტოპოლოგიურ დეფექტებთან და მატერიის არატრადიციული ფაზები - ტოპოლოგიური ფაზები. ამან გამოიწვია ექსპერიმენტული და თეორიული სამუშაოების ზვავი. ეს ზვავი კვლავ ძალიან სწრაფი ტემპით მიედინება.

ზოგიერთი ადამიანი კვლავ ხედავს XNUMXD მასალებს, როგორც მატერიის ახალ, უნიკალურ მდგომარეობას. ამ ტიპის ნანოქსელი - ფოსფატი, სტანინი, ბოროფენი, ან, ბოლოს და ბოლოს, პოპულარული გრაფენი - მრავალი წელია ვიცით. ზემოხსენებული ნობელის პრემიის ლაურეატები ჩაერთნენ, კერძოდ, ამ ერთფენიანი მასალების ტოპოლოგიურ ანალიზში.

მატერიის მდგომარეობისა და მატერიის ფაზების შესახებ ძველმოდურმა მეცნიერებამ, როგორც ჩანს, გრძელი გზა გაიარა. ბევრად აღემატება იმას, რაც ჯერ კიდევ შეგვიძლია გავიხსენოთ ფიზიკის გაკვეთილებიდან.