เราจะรู้สถานะของสสารทั้งหมดหรือไม่? แทนที่จะเป็นสาม, ห้าร้อย

ปีที่แล้ว สื่อเผยแพร่ข้อมูลที่ “เกิดเรื่องรูปแบบหนึ่งขึ้น” ซึ่งอาจเรียกได้ว่า superhard หรือสะดวกกว่า แม้จะน้อยกว่า แต่ก็เป็น superhard มาจากห้องทดลองของนักวิทยาศาสตร์ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ เป็นความขัดแย้งชนิดหนึ่งที่รวมคุณสมบัติของของแข็งและซุปเปอร์ฟลูอิดเข้าด้วยกัน ของเหลวที่มีความหนืดเป็นศูนย์

นักฟิสิกส์ได้ทำนายการมีอยู่ของ supernatant ก่อนหน้านี้ แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่พบสิ่งใดที่คล้ายคลึงกันในห้องปฏิบัติการ ผลการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature

หัวหน้าทีม Wolfgang Ketterle ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ MIT และผู้ได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 2001 เขียนว่า "สารที่รวม superfluidity และคุณสมบัติที่เป็นของแข็งนั้นท้าทายสามัญสำนึก"

เพื่อให้เข้าใจถึงรูปแบบที่ขัดแย้งกันนี้ ทีมของ Ketterle ได้จัดการการเคลื่อนที่ของอะตอมในสถานะ supersolid ในรูปแบบพิเศษอื่นที่เรียกว่า Bose-Einstein condensate (BEC) Ketterle เป็นหนึ่งในผู้ค้นพบ BEC ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

"ความท้าทายคือการเพิ่มบางสิ่งบางอย่างลงในคอนเดนเสทซึ่งจะทำให้เกิดการวิวัฒนาการไปเป็นรูปแบบนอก 'กับดักอะตอม' และได้รับลักษณะของของแข็ง" Ketterle อธิบาย

ทีมวิจัยใช้ลำแสงเลเซอร์ในห้องสุญญากาศสูงพิเศษเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของอะตอมในคอนเดนเสท ชุดเลเซอร์ดั้งเดิมใช้เพื่อเปลี่ยนอะตอมของ BEC ครึ่งหนึ่งให้เป็นสปินหรือเฟสควอนตัมที่แตกต่างกัน ดังนั้น BEC สองประเภทจึงถูกสร้างขึ้น การถ่ายโอนอะตอมระหว่างสองคอนเดนเสทด้วยความช่วยเหลือของลำแสงเลเซอร์เพิ่มเติมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของการหมุน

"เลเซอร์เพิ่มเติมช่วยให้อะตอมมีพลังงานเพิ่มขึ้นสำหรับการมีเพศสัมพันธ์แบบสปินออร์บิท" Ketterle กล่าว สารที่เป็นผลลัพธ์ตามการคาดการณ์ของนักฟิสิกส์ควรจะเป็น "superhard" เนื่องจากคอนเดนเสทที่มีอะตอมคอนจูเกตในวงโคจรของสปินจะมีลักษณะเฉพาะโดย "มอดูเลตความหนาแน่น" ที่เกิดขึ้นเอง กล่าวอีกนัยหนึ่งความหนาแน่นของสสารจะหยุดคงที่ แต่จะมีรูปแบบเฟสคล้ายกับของแข็งผลึกแทน

การวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุซุปเปอร์ฮาร์ดอาจนำไปสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับคุณสมบัติของซุปเปอร์ฟลูอิดและตัวนำยิ่งยวด ซึ่งจะมีความสำคัญต่อการถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ Superhards อาจเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาแม่เหล็กและเซ็นเซอร์ที่มีตัวนำยิ่งยวดดีขึ้น

ไม่ใช่สถานะของการรวมตัว แต่เป็นเฟส

สภาพ superhard เป็นสารหรือไม่? คำตอบของฟิสิกส์สมัยใหม่นั้นไม่ง่ายนัก เราจำได้จากโรงเรียนว่าสถานะทางกายภาพของสสารเป็นรูปแบบหลักที่สสารตั้งอยู่และกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของสาร คุณสมบัติของสารถูกกำหนดโดยการจัดเรียงและพฤติกรรมของโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบ การแบ่งแยกตามประเพณีของสสารของศตวรรษที่ XNUMX แบ่งสถานะดังกล่าวออกเป็นสามสถานะ: ของแข็ง (ของแข็ง) ของเหลว (ของเหลว) และก๊าซ (แก๊ส)

อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน ระยะของสสารดูเหมือนจะเป็นคำจำกัดความที่ถูกต้องกว่าของรูปแบบการมีอยู่ของสสาร คุณสมบัติของวัตถุในแต่ละสถานะขึ้นอยู่กับการจัดเรียงของโมเลกุล (หรืออะตอม) ที่ร่างกายเหล่านี้ประกอบขึ้น จากมุมมองนี้ การหารแบบเก่าเป็นสถานะของการรวมกลุ่มนั้นเป็นจริงสำหรับสารบางชนิดเท่านั้น เนื่องจากการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าสิ่งที่เคยถูกพิจารณาว่าเป็นสถานะการรวมตัวเดียวสามารถแบ่งออกเป็นหลายระยะของสารที่มีลักษณะแตกต่างกัน การกำหนดค่าอนุภาค มีแม้กระทั่งสถานการณ์ที่โมเลกุลในร่างกายเดียวกันสามารถจัดเรียงต่างกันได้ในเวลาเดียวกัน

นอกจากนี้ ปรากฎว่าสถานะของแข็งและของเหลวสามารถรับรู้ได้หลายวิธี จำนวนเฟสของสสารในระบบและจำนวนของตัวแปรแบบเข้มข้น (เช่น ความดัน อุณหภูมิ) ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงเชิงคุณภาพในระบบ อธิบายโดยหลักการเฟสของกิ๊บส์

การเปลี่ยนแปลงเฟสของสารอาจต้องมีการจ่ายหรือรับพลังงาน จากนั้นปริมาณพลังงานที่ไหลออกมาจะเป็นสัดส่วนกับมวลของสารที่เปลี่ยนเฟส อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนเฟสบางอย่างเกิดขึ้นโดยไม่มีอินพุตหรือเอาต์พุตพลังงาน เราได้ข้อสรุปเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงเฟสโดยพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนในปริมาณที่อธิบายเนื้อหานี้

ในการจำแนกประเภทที่กว้างขวางที่สุดที่เผยแพร่จนถึงปัจจุบัน มีรัฐรวมประมาณห้าร้อยรัฐ สารจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีส่วนผสมของสารเคมีที่แตกต่างกัน สามารถมีอยู่พร้อมกันในสองเฟสหรือมากกว่า

ฟิสิกส์สมัยใหม่มักจะยอมรับสองเฟส - ของเหลวและของแข็ง โดยเฟสของแก๊สเป็นหนึ่งในกรณีของเฟสของเหลว ระยะหลังรวมถึงพลาสมาประเภทต่าง ๆ เฟสกระแสยิ่งยวดที่กล่าวถึงแล้วและสถานะอื่น ๆ ของสสาร เฟสของแข็งแสดงด้วยรูปแบบผลึกต่างๆ รวมถึงรูปแบบอสัณฐาน

ทอพอโลยี ซะวิยะ

รายงานของ "สถานะโดยรวม" ใหม่หรือขั้นตอนที่ยากต่อการกำหนดของวัสดุเป็นรายการข่าวทางวิทยาศาสตร์อย่างต่อเนื่องในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในขณะเดียวกัน การมอบหมายการค้นพบใหม่ให้กับหมวดหมู่ใดหมวดหมู่หนึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป สาร supersolid ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้อาจเป็นช่วงที่เป็นของแข็ง แต่บางทีนักฟิสิกส์อาจมีความคิดเห็นที่ต่างออกไป ไม่กี่ปีที่ผ่านมาในห้องทดลองของมหาวิทยาลัย

ตัวอย่างเช่น ในโคโลราโด หยดหนึ่งถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคของแกลเลียม อาร์เซไนด์ ซึ่งเป็นของเหลว บางอย่างที่เป็นของแข็ง ในปี 2015 ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยนักเคมี Cosmas Prasides จากมหาวิทยาลัย Tohoku ในญี่ปุ่นได้ประกาศการค้นพบสถานะใหม่ของสสารที่รวมคุณสมบัติของฉนวน ตัวนำยิ่งยวด โลหะ และแม่เหล็ก เรียกว่าโลหะ Jahn-Teller

นอกจากนี้ยังมีสถานะรวม "ไฮบริด" ที่ผิดปกติ ตัวอย่างเช่น แก้วไม่มีโครงสร้างผลึก และบางครั้งจึงถูกจัดประเภทเป็นของเหลวที่ "เย็นยิ่งยวด" นอกจากนี้ - คริสตัลเหลวที่ใช้ในจอแสดงผลบางรุ่น สีโป๊ว - ซิลิโคนโพลิเมอร์, พลาสติก, ยืดหยุ่นหรือเปราะขึ้นอยู่กับอัตราการเสียรูป ของเหลวเหนียวเหนอะหนะไหลออกเอง (เมื่อเริ่มทำงาน น้ำล้นจะไหลต่อไปจนกว่าของเหลวในแก้วด้านบนจะหมด) นิทินอล โลหะผสมหน่วยความจำรูปทรงนิกเกิล-ไททาเนียม จะยืดออกในอากาศอุ่นหรือของเหลวเมื่องอ

การจำแนกจะซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ เทคโนโลยีสมัยใหม่ลบขอบเขตระหว่างสถานะของสสาร มีการค้นพบใหม่ ผู้ได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 2016 ได้แก่ David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane และ J. Michael Kosterlitz ได้เชื่อมโยงโลกทั้งสองเข้าด้วยกัน ได้แก่ สสารซึ่งเป็นเรื่องของฟิสิกส์ และโทโพโลยีซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของคณิตศาสตร์ พวกเขาตระหนักว่ามีการเปลี่ยนเฟสที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิมที่เกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องทอพอโลยีและเฟสที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิมของสสาร - เฟสทอพอโลยี สิ่งนี้นำไปสู่การถล่มของงานทดลองและทฤษฎี หิมะถล่มนี้ยังคงไหลอย่างรวดเร็ว

บางคนมองว่าวัสดุ XNUMXD เป็นสถานะใหม่ที่ไม่เหมือนใคร เรารู้จักเครือข่ายนาโนประเภทนี้ - ฟอสเฟต สเตนีน โบโรฟีน หรือในที่สุด กราฟีนยอดนิยม - เป็นเวลาหลายปี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผู้ได้รับรางวัลโนเบลดังกล่าวมีส่วนเกี่ยวข้องในการวิเคราะห์เชิงทอพอโลยีของวัสดุชั้นเดียวเหล่านี้

ศาสตร์ที่ล้าสมัยของสถานะของสสารและเฟสของสสารดูเหมือนจะไปไกลแล้ว ไกลเกินกว่าที่เราจำได้จากบทเรียนฟิสิกส์