האם אי פעם נדע את כל מצבי החומר? במקום שלוש, חמש מאות

בשנה שעברה הפיצה התקשורת מידע ש"התעוררה סוג של עניין", שאפשר לכנותו סופר קשה או, למשל, נוח יותר, אם כי פחות פולני, סופר קשה. המגיע מהמעבדות של מדענים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, מדובר בסוג של סתירה המשלבת את תכונות המוצקים והעל-נוזלים - כלומר. נוזלים עם צמיגות אפס.

פיזיקאים חזו בעבר את קיומו של סופרנטנט, אך עד כה לא נמצא דבר דומה במעבדה. תוצאות המחקר של מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס פורסמו בכתב העת Nature.

"חומר המשלב נזילות-יתר ותכונות מוצקות נוגד את השכל הישר", כתב בעיתון מנהיג הצוות וולפגנג קטרל, פרופסור לפיזיקה ב-MIT וחתן פרס נובל לשנת 2001.

כדי להבין את צורת החומר הסותרת הזו, הצוות של קטרל עשה מניפולציה על תנועת האטומים במצב על מוצק בצורת חומר מוזרה אחרת בשם קונדנסט Bose-Einstein (BEC). קטרל הוא אחד ממגלי BEC, שזיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה.

"האתגר היה להוסיף משהו לקונדנסט שיגרום לו להתפתח לצורה מחוץ ל'מלכודת האטומית' ולרכוש את המאפיינים של מוצק", הסביר קטרל.

צוות המחקר השתמש בקרני לייזר בתא ואקום גבוה במיוחד כדי לשלוט בתנועת האטומים בקונדנסט. הסט המקורי של הלייזרים שימש כדי להפוך מחצית מאטומי BEC לשלב ספין או קוונטי אחר. לפיכך, נוצרו שני סוגים של BECs. העברת אטומים בין שני קונדנסטים בעזרת קרני לייזר נוספות גרמה לשינויי ספין.

"לייזרים נוספים סיפקו לאטומים הגברת אנרגיה נוספת עבור צימוד ספין-מסלול", אמר קטרל. החומר שהתקבל, על פי תחזית הפיזיקאים, היה צריך להיות "סופר-קשה", שכן עיבוי עם אטומים מצומדים במסלול ספין יאופיין ב"אפנון צפיפות" ספונטני. במילים אחרות, צפיפות החומר תפסיק להיות קבועה. במקום זאת, תהיה לו תבנית פאזה הדומה למוצק גבישי.

מחקר נוסף על חומרים קשים עשויים להוביל להבנה טובה יותר של תכונותיהם של נוזלי-על ומוליכי-על, אשר יהיו קריטיים להעברת אנרגיה יעילה. חומרי על יכולים להיות גם המפתח לפיתוח מגנטים וחיישנים מוליכים-על טובים יותר.

לא מצבי צבירה, אלא שלבים

האם המצב הסופר קשה הוא חומר? התשובה שנותנת הפיזיקה המודרנית אינה כל כך פשוטה. אנו זוכרים מבית הספר שהמצב הפיזיקלי של החומר הוא הצורה העיקרית שבה נמצא החומר וקובעת את תכונותיו הפיזיקליות הבסיסיות. תכונותיו של חומר נקבעות על ידי סידור והתנהגות המולקולות המרכיבות אותו. החלוקה המסורתית של מצבי החומר של המאה ה-XNUMX מבדילה שלושה מצבים כאלה: מוצק (מוצק), נוזלי (נוזלי) וגזי (גז).

אולם, כיום, נראה ששלב החומר הוא הגדרה מדויקת יותר של צורות הקיום של החומר. המאפיינים של גופים במצבים בודדים תלויים בסידור המולקולות (או האטומים) שמהם מורכבים הגופים הללו. מנקודת מבט זו, החלוקה הישנה למצבי צבירה נכונה רק לגבי חלק מהחומרים, שכן מחקר מדעי הראה שמה שנחשב בעבר למצב צבירה בודד ניתן למעשה לחלק להרבה שלבים של חומר הנבדלים בטבעם. תצורת חלקיקים. ישנם אפילו מצבים שבהם מולקולות באותו גוף יכולות להיות מסודרות באופן שונה בו זמנית.

יתרה מכך, התברר שניתן לממש את המצב המוצק והנוזל במגוון דרכים. מספר שלבי החומר במערכת ומספר המשתנים האינטנסיביים (לדוגמה, לחץ, טמפרטורה) הניתנים לשינוי ללא שינוי איכותי במערכת מתוארים על ידי עקרון הפאזה של גיבס.

שינוי בשלב של חומר עשוי לדרוש אספקה ​​או קבלה של אנרגיה – ואז כמות האנרגיה שתזרום החוצה תהיה פרופורציונלית למסה של החומר שמשנה את הפאזה. עם זאת, מעברי פאזה מסוימים מתרחשים ללא קלט או פלט אנרגיה. אנו מסיקים מסקנה לגבי שינוי הפאזה על בסיס שינוי צעד בכמה כמויות המתארות גוף זה.

בסיווג הנרחב ביותר שפורסם עד כה, ישנם כחמש מאות מצבים מצטברים. חומרים רבים, במיוחד אלו שהם תערובות של תרכובות כימיות שונות, יכולים להתקיים בו-זמנית בשני שלבים או יותר.

הפיזיקה המודרנית בדרך כלל מקבלת שני שלבים - נוזל ומוצק, כאשר שלב הגז הוא אחד מהמקרים של הפאזה הנוזלית. האחרונים כוללים סוגים שונים של פלזמה, שלב העל-זרם שהוזכר כבר ועוד מספר מצבים של חומר. שלבים מוצקים מיוצגים על ידי צורות גבישיות שונות, כמו גם צורה אמורפית.

זאוויה טופולוגית

דיווחים על "מצבים מצטברים" חדשים או שלבים קשים להגדרה של חומרים היו רפרטואר קבוע של חדשות מדעיות בשנים האחרונות. יחד עם זאת, שיוך תגליות חדשות לאחת הקטגוריות אינו תמיד קל. החומר העל-סולידי שתואר קודם לכן הוא כנראה שלב מוצק, אבל אולי לפיזיקאים יש דעה אחרת. לפני כמה שנים במעבדה באוניברסיטה

בקולורדו, למשל, נוצרה טיפונת מחלקיקים של גליום ארסניד - משהו נוזלי, משהו מוצק. בשנת 2015, צוות בינלאומי של מדענים בראשות הכימאי קוסמס פרסידס מאוניברסיטת טוהוקו ביפן הכריז על גילוי מצב חדש של חומר המשלב את התכונות של מבודד, מוליך-על, מתכת ומגנט, וקורא לזה מתכת Jahn-Teller.

ישנם גם מצבי צבירה לא טיפוסיים "היברידיים". לדוגמא, לזכוכית אין מבנה גבישי ולכן לעיתים מסווגת כנוזל "מצונן-על". עוד - גבישים נוזליים המשמשים בחלק מהצגים; מרק - פולימר סיליקון, פלסטיק, אלסטי או אפילו שביר, תלוי בקצב העיוות; נוזל סופר דביק, זורם מעצמו (לאחר תחילתו, ההצפה תימשך עד למיצוי אספקת הנוזל בכוס העליונה); Nitinol, סגסוגת זיכרון בצורת ניקל-טיטניום, יתיישר באוויר חם או בנוזל כאשר הוא מכופף.

הסיווג נעשה מורכב יותר ויותר. טכנולוגיות מודרניות מוחקות את הגבולות בין מצבי החומר. גילויים חדשים מתגלים. זוכי פרס נובל לשנת 2016 - דיוויד ג'יי ת'ולס, פ' דאנקן, מ' האלדן וג'יי מייקל קוסטרליץ - חיברו בין שני עולמות: החומר, שהוא נושא הפיזיקה, וטופולוגיה, שהיא ענף במתמטיקה. הם הבינו שיש מעברי פאזה לא מסורתיים הקשורים לפגמים טופולוגיים ושלבים לא מסורתיים של החומר - שלבים טופולוגיים. זה הוביל למפולת של עבודה ניסיונית ותיאורטית. המפולת הזו עדיין זורמת בקצב מהיר מאוד.

יש אנשים ששוב רואים בחומרים דו-ממדיים מצב חדש וייחודי של חומר. אנחנו מכירים סוג זה של ננו-רשת - פוספט, סטנן, בורופן, או, לבסוף, הגרפן הפופולרי - כבר שנים רבות. זוכי פרס נובל שהוזכרו לעיל היו מעורבים, במיוחד, בניתוח הטופולוגי של החומרים החד-שכבתיים הללו.

נראה שהמדע המיושן של מצבי החומר ושלבי החומר עבר כברת דרך. הרבה מעבר למה שאנחנו עדיין זוכרים משיעורי פיזיקה.