Biz nə vaxtsa maddənin bütün hallarını biləcəyikmi? Üç, beş yüz əvəzinə
Keçən il mediada “maddənin bir forması yaranıb” məlumatı yayıldı ki, onu super sərt və ya məsələn, daha rahat, daha az polyak, supersərt adlandırmaq olar. Massaçusets Texnologiya İnstitutunun alimlərinin laboratoriyalarından gələn, bərk və super mayelərin xüsusiyyətlərini birləşdirən bir növ ziddiyyətdir - yəni. özlülüyü sıfır olan mayelər.
Fiziklər daha əvvəl supernatantın varlığını proqnozlaşdırmışdılar, lakin indiyədək laboratoriyada buna bənzər heç nə tapılmayıb. Massaçusets Texnologiya İnstitutunun alimlərinin araşdırmasının nəticələri “Nature” jurnalında dərc olunub.
MİT-in fizika professoru və 2001-ci il Nobel mükafatı laureatı, komandanın rəhbəri Volfqanq Ketterle qəzetdə yazıb: “Fərqlilik və bərk xassələri birləşdirən maddə sağlam düşüncəyə ziddir”.
Maddənin bu ziddiyyətli formasını anlamlandırmaq üçün Ketterlenin komandası Bose-Einstein kondensatı (BEC) adlanan maddənin başqa bir özünəməxsus formasında super bərk vəziyyətdə olan atomların hərəkətini manipulyasiya etdi. Ketterle ona Fizika üzrə Nobel Mükafatını qazandıran BEC-in kəşfçilərindən biridir.
"Çətinlik kondensata onun "atom tələsindən" kənar bir forma çevrilməsinə və bərk cismin xüsusiyyətlərini əldə etməsinə səbəb olacaq bir şey əlavə etmək idi" dedi Ketterle.
Tədqiqat qrupu kondensatdakı atomların hərəkətini idarə etmək üçün ultra yüksək vakuum kamerasında lazer şüalarından istifadə edib. Orijinal lazer dəsti BEC atomlarının yarısını fərqli bir spin və ya kvant fazasına çevirmək üçün istifadə edilmişdir. Beləliklə, iki növ BEC yaradıldı. Əlavə lazer şüalarının köməyi ilə iki kondensat arasında atomların köçürülməsi spin dəyişikliklərinə səbəb oldu.
"Əlavə lazerlər atomları spin-orbit birləşmələri üçün əlavə enerji ilə təmin etdi" dedi Ketterle. Fiziklərin proqnozuna görə, ortaya çıxan maddə "supersert" olmalı idi, çünki spin orbitində birləşmiş atomları olan kondensatlar kortəbii "sıxlıq modulyasiyası" ilə xarakterizə olunurdu. Başqa sözlə, maddənin sıxlığı sabit olmaqdan çıxacaq. Bunun əvəzinə, kristal bərk maddəyə bənzər bir faza nümunəsi olacaq.
Fövqəladə materiallara dair əlavə tədqiqatlar enerjinin səmərəli ötürülməsi üçün kritik rol oynayan super mayelərin və superkeçiricilərin xüsusiyyətlərinin daha yaxşı başa düşülməsinə səbəb ola bilər. Superhardlar daha yaxşı superkeçirici maqnitlər və sensorlar hazırlamaq üçün də əsas ola bilər.
Toplama halları deyil, mərhələlər
Supersərt vəziyyət bir maddədirmi? Müasir fizikanın verdiyi cavab o qədər də sadə deyil. Məktəbdən xatırlayırıq ki, maddənin fiziki vəziyyəti maddənin yerləşdiyi əsas formadır və onun əsas fiziki xassələrini müəyyən edir. Maddənin xassələri onu təşkil edən molekulların düzülüşü və davranışı ilə müəyyən edilir. XVII əsrin materiya hallarının ənənəvi bölgüsü üç belə vəziyyəti fərqləndirir: bərk (bərk), maye (maye) və qaz (qaz).
Bununla belə, hazırda maddənin fazası maddənin mövcudluq formalarının daha dəqiq tərifi kimi görünür. Ayrı-ayrı dövlətlərdə cisimlərin xassələri bu cisimlərin təşkil olunduğu molekulların (və ya atomların) düzülüşündən asılıdır. Bu nöqteyi-nəzərdən köhnə birləşmə hallarına bölünmə yalnız bəzi maddələr üçün doğrudur, çünki elmi tədqiqatlar göstərmişdir ki, əvvəllər vahid birləşmə vəziyyəti hesab edilənlər əslində mahiyyətcə fərqlənən maddənin bir çox fazalarına bölünə bilər. hissəcik konfiqurasiyası. Hətta elə vəziyyətlər olur ki, eyni bədəndəki molekullar eyni anda fərqli şəkildə düzülür.
Üstəlik, bərk və maye halların müxtəlif yollarla həyata keçirilə biləcəyi ortaya çıxdı. Sistemdəki maddənin fazalarının sayı və sistemdə keyfiyyət dəyişikliyi olmadan dəyişdirilə bilən intensiv dəyişənlərin (məsələn, təzyiq, temperatur) sayı Gibbs faza prinsipi ilə təsvir edilmişdir.
Maddənin fazasının dəyişməsi enerjinin tədarükü və ya alınmasını tələb edə bilər - onda axan enerjinin miqdarı fazı dəyişən maddənin kütləsi ilə mütənasib olacaqdır. Bununla belə, bəzi faza keçidləri enerji girişi və ya çıxışı olmadan baş verir. Bu cismi təsvir edən bəzi kəmiyyətlərin pillə dəyişməsi əsasında faza dəyişikliyi haqqında nəticə çıxarırıq.
Bu günə qədər nəşr olunan ən geniş təsnifatda təxminən beş yüz məcmu dövlət var. Bir çox maddələr, xüsusən də müxtəlif kimyəvi birləşmələrin qarışığı olanlar eyni vaxtda iki və ya daha çox fazada mövcud ola bilər.
Müasir fizika adətən iki faza qəbul edir - maye və bərk, qaz fazası maye faza hallarından biridir. Sonunculara müxtəlif plazma növləri, artıq qeyd olunan super cərəyan fazası və maddənin bir sıra digər halları daxildir. Bərk fazalar müxtəlif kristal formalarla, eləcə də amorf forma ilə təmsil olunur.
Topoloji zaviyə
Yeni "məcmu vəziyyətlər" və ya materialların müəyyən edilməsi çətin mərhələləri haqqında hesabatlar son illərdə elmi xəbərlərin daimi repertuarı olmuşdur. Eyni zamanda, kateqoriyalardan birinə yeni kəşflər təyin etmək həmişə asan deyil. Daha əvvəl təsvir edilən superbərk maddə, yəqin ki, bərk fazadır, lakin bəlkə də fiziklərin fərqli fikri var. Bir neçə il əvvəl universitet laboratoriyasında
Məsələn, Koloradoda qalium arsenid hissəciklərindən bir damlacıq yaradıldı - maye, bərk bir şey. 2015-ci ildə Yaponiyanın Tohoku Universitetində kimyaçı Kosmas Prasidesin başçılıq etdiyi beynəlxalq alimlər qrupu izolyator, superkeçirici, metal və maqnitin xassələrini birləşdirən maddənin yeni vəziyyətinin kəşfini elan edərək onu Jahn-Teller metalı adlandırdı.
Atipik "hibrid" məcmu dövlətlər də var. Məsələn, şüşə kristal quruluşa malik deyil və buna görə də bəzən "supersoyudulmuş" maye kimi təsnif edilir. Daha sonra - bəzi displeylərdə istifadə olunan maye kristallar; macun - deformasiya sürətindən asılı olaraq silikon polimer, plastik, elastik və ya hətta kövrək; super yapışqan, öz-özünə axan maye (başladıqdan sonra yuxarı şüşədəki mayenin tədarükü bitənə qədər daşqın davam edəcək); Nitinol, nikel-titan formalı yaddaş ərintisi, əyildikdə isti havada və ya mayedə düzəldilir.
Təsnifat getdikcə mürəkkəbləşir. Müasir texnologiyalar maddənin halları arasındakı sərhədləri silir. Yeni kəşflər edilir. 2016-cı il Nobel mükafatı laureatları - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane və C. Maykl Kosterlitz iki dünyanı birləşdirdilər: fizikanın mövzusu olan maddə və riyaziyyatın bir qolu olan topologiya. Onlar başa düşdülər ki, topoloji qüsurlarla əlaqəli qeyri-ənənəvi faza keçidləri və maddənin qeyri-ənənəvi fazaları - topoloji fazalar var. Bu, eksperimental və nəzəri işlərin uçqununa səbəb oldu. Bu uçqun hələ də çox sürətlə axır.
Bəzi insanlar yenidən XNUMXD materialları maddənin yeni, unikal vəziyyəti kimi görürlər. Biz bu tip nanoneşəbəkələri - fosfat, stanen, borofen və ya nəhayət, məşhur qrafeni uzun illərdir tanıyırıq. Yuxarıda qeyd olunan Nobel Mükafatı laureatları, xüsusilə, bu birqatlı materialların topoloji analizində iştirak etmişlər.
Maddənin halları və fazaları haqqında köhnə dəbli elm, deyəsən, uzun bir yol keçmişdir. Fizika dərslərindən hələ də xatırlaya biləcəyimizdən çox uzaqda.
