Werden wir jemals alle Zustände der Materie kennen? Statt drei, fünfhundert

Letztes Jahr verbreiteten die Medien, dass „eine Form der Materie entstanden ist“, die man superhart oder beispielsweise bequemer, wenn auch weniger polnisch, superhart nennen könnte. Es handelt sich um eine Art Widerspruch, der aus den Laboren von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology stammt und die Eigenschaften von Festkörpern und Supraflüssigkeiten vereint – d. h. Flüssigkeiten ohne Viskosität.

Physiker haben bereits zuvor die Existenz eines Überstands vorhergesagt, im Labor wurde jedoch bisher nichts Vergleichbares gefunden. Die Ergebnisse der Studie von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

„Eine Substanz, die Superfluidität und feste Eigenschaften vereint, widerspricht dem gesunden Menschenverstand“, schrieb Teamleiter Wolfgang Ketterle, MIT-Professor für Physik und Nobelpreisträger von 2001, in der Arbeit.

Um dieser widersprüchlichen Materieform einen Sinn zu geben, manipulierte Ketterles Team die Bewegung von Atomen in einem superfesten Zustand in einer anderen besonderen Materieform namens Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Ketterle ist einer der Entdecker des BEC, was ihm den Nobelpreis für Physik einbrachte.

„Die Herausforderung bestand darin, dem Kondensat etwas hinzuzufügen, das dazu führen würde, dass es sich in eine Form außerhalb der ‚Atomfalle‘ entwickelt und die Eigenschaften eines Feststoffs annimmt“, erklärte Ketterle.

Das Forschungsteam nutzte Laserstrahlen in einer Ultrahochvakuumkammer, um die Bewegung der Atome im Kondensat zu steuern. Der ursprüngliche Lasersatz wurde verwendet, um die Hälfte der BEC-Atome in eine andere Spin- oder Quantenphase umzuwandeln. Somit wurden zwei Arten von BECs geschaffen. Der Atomtransfer zwischen zwei Kondensaten mithilfe zusätzlicher Laserstrahlen führte zu Spinänderungen.

„Zusätzliche Laser gaben den Atomen einen zusätzlichen Energieschub für die Spin-Bahn-Kopplung“, sagte Ketterle. Die resultierende Substanz hätte nach der Vorhersage der Physiker „superhart“ sein sollen, da Kondensate mit konjugierten Atomen in einer Spinbahn durch spontane „Dichtemodulation“ gekennzeichnet wären. Mit anderen Worten: Die Dichte der Materie wäre nicht mehr konstant. Stattdessen weist es ein Phasenmuster auf, das einem kristallinen Feststoff ähnelt.

Weitere Forschungen zu superharten Materialien könnten zu einem besseren Verständnis der Eigenschaften von Supraflüssigkeiten und Supraleitern führen, die für eine effiziente Energieübertragung von entscheidender Bedeutung sein werden. Superharte Materialien könnten auch der Schlüssel zur Entwicklung besserer supraleitender Magnete und Sensoren sein.

Keine Aggregatzustände, sondern Phasen

Ist der superharte Zustand eine Substanz? Die Antwort der modernen Physik ist nicht so einfach. Aus der Schule erinnern wir uns, dass der physikalische Zustand der Materie die Hauptform ist, in der sich die Substanz befindet, und ihre grundlegenden physikalischen Eigenschaften bestimmt. Die Eigenschaften eines Stoffes werden durch die Anordnung und das Verhalten seiner Molekülbestandteile bestimmt. Die traditionelle Einteilung der Materiezustände des XNUMX. Jahrhunderts unterscheidet drei solcher Zustände: fest (fest), flüssig (flüssig) und gasförmig (Gas).

Derzeit scheint jedoch die Phase der Materie eine genauere Definition der Existenzformen der Materie zu sein. Die Eigenschaften von Körpern in einzelnen Zuständen hängen von der Anordnung der Moleküle (oder Atome) ab, aus denen diese Körper bestehen. Unter diesem Gesichtspunkt trifft die alte Einteilung in Aggregatzustände nur für einige Stoffe zu, da wissenschaftliche Untersuchungen gezeigt haben, dass sich der bisher als ein einziger Aggregatzustand betrachtete Zustand tatsächlich in viele Phasen eines Stoffes mit unterschiedlicher Beschaffenheit unterteilen lässt. Partikelkonfiguration. Es gibt sogar Situationen, in denen Moleküle im selben Körper gleichzeitig unterschiedlich angeordnet sein können.

Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die festen und flüssigen Zustände auf unterschiedliche Weise realisiert werden können. Die Anzahl der Materiephasen im System und die Anzahl der intensiven Variablen (z. B. Druck, Temperatur), die ohne qualitative Änderung im System geändert werden können, wird durch das Gibbs-Phasenprinzip beschrieben.

Eine Phasenänderung eines Stoffes kann die Zufuhr oder Aufnahme von Energie erfordern – dann ist die Menge der abfließenden Energie proportional zur Masse des Stoffes, der die Phase ändert. Einige Phasenübergänge erfolgen jedoch ohne Energiezufuhr oder -abgabe. Wir ziehen einen Rückschluss auf den Phasenwechsel anhand einer Stufenänderung einiger Größen, die diesen Körper beschreiben.

In der bislang umfangreichsten Klassifikation gibt es etwa fünfhundert Aggregatzustände. Viele Stoffe, insbesondere solche, die Gemische verschiedener chemischer Verbindungen sind, können gleichzeitig in zwei oder mehr Phasen vorliegen.

Die moderne Physik akzeptiert normalerweise zwei Phasen – flüssig und fest, wobei die Gasphase einer der Fälle der flüssigen Phase ist. Zu letzteren gehören verschiedene Arten von Plasma, die bereits erwähnte Suprastromphase und eine Reihe weiterer Aggregatzustände. Feste Phasen werden durch verschiedene kristalline Formen sowie eine amorphe Form dargestellt.

Topologische Zawiya

Berichte über neue „Aggregatzustände“ oder schwer zu definierende Phasen von Materialien gehörten in den letzten Jahren zum ständigen Repertoire wissenschaftlicher Nachrichten. Gleichzeitig ist es nicht immer einfach, Neuentdeckungen einer der Kategorien zuzuordnen. Die zuvor beschriebene superfeste Substanz ist wahrscheinlich eine feste Phase, aber vielleicht sind Physiker anderer Meinung. Vor ein paar Jahren in einem Universitätslabor

In Colorado wurde beispielsweise ein Tröpfchen aus Galliumarsenidpartikeln erzeugt – etwas Flüssiges, etwas Festes. Im Jahr 2015 gab ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung des Chemikers Cosmas Prasides an der Tohoku-Universität in Japan die Entdeckung eines neuen Materiezustands bekannt, der die Eigenschaften eines Isolators, eines Supraleiters, eines Metalls und eines Magneten vereint und ihn Jahn-Teller-Metall nennt.

Es gibt auch atypische "hybride" Aggregatzustände. Beispielsweise hat Glas keine kristalline Struktur und wird daher manchmal als "unterkühlte" Flüssigkeit klassifiziert. Weiter - Flüssigkristalle, die in einigen Displays verwendet werden; kitt - Silikonpolymer, plastisch, elastisch oder sogar spröde, je nach Verformungsgeschwindigkeit; superklebrige, selbstfließende Flüssigkeit (einmal gestartet, läuft der Überlauf weiter, bis der Flüssigkeitsvorrat im oberen Glas erschöpft ist); Nitinol, eine Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung, richtet sich beim Biegen in warmer Luft oder Flüssigkeit gerade.

Die Klassifizierung wird immer komplexer. Moderne Technologien heben die Grenzen zwischen den Aggregatzuständen auf. Neue Entdeckungen werden gemacht. Die Nobelpreisträger von 2016 – David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane und J. Michael Kosterlitz – verbanden zwei Welten: Materie, ein Gegenstand der Physik, und Topologie, ein Zweig der Mathematik. Sie erkannten, dass es nicht-traditionelle Phasenübergänge gibt, die mit topologischen Defekten und nicht-traditionellen Materiephasen verbunden sind – topologische Phasen. Dies führte zu einer Lawine experimenteller und theoretischer Arbeiten. Diese Lawine fließt immer noch in einem sehr schnellen Tempo.

Manche Menschen betrachten XNUMXD-Materialien wieder als einen neuen, einzigartigen Aggregatzustand. Wir kennen diese Art von Nanonetzwerken – Phosphat, Stanen, Borophen oder schließlich das beliebte Graphen – seit vielen Jahren. Die oben genannten Nobelpreisträger waren insbesondere an der topologischen Analyse dieser einschichtigen Materialien beteiligt.

Die altmodische Wissenschaft der Materiezustände und -phasen scheint einen langen Weg zurückgelegt zu haben. Weit über das hinaus, was wir noch aus dem Physikunterricht kennen.