우리는 물질의 모든 상태를 알게 될까요? XNUMX 대신

작년에 미디어는 초경질 또는 예를 들어 폴란드어는 적지 만 더 편리한 초경질이라고 할 수있는 "물질의 형태가 나타났습니다"라고 유포했습니다. Massachusetts Institute of Technology의 과학자 실험실에서 나온 것은 고체와 초유체의 특성을 결합한 일종의 모순입니다. 점도가 XNUMX인 액체.

물리학자들은 이전에 상등액의 존재를 예측했지만 지금까지 실험실에서 유사한 것은 발견되지 않았습니다. Massachusetts Institute of Technology의 과학자들의 연구 결과는 Nature 저널에 게재되었습니다.

MIT 물리학과 교수이자 2001년 노벨상 수상자인 팀 리더 Wolfgang Ketterle는 논문에서 "초유동성과 고체 특성을 결합한 물질은 상식에 어긋난다"고 썼습니다.

이 모순된 형태의 물질을 이해하기 위해 Ketterle의 팀은 BEC(Bose-Einstein condensate)라고 하는 또 다른 독특한 형태의 물질에서 초고체 상태의 원자 운동을 조작했습니다. Ketterle은 노벨 물리학상을 받은 BEC의 발견자 중 한 명입니다.

Ketterle은 “응축물에 무언가를 추가하여 '원자 트랩' 외부의 형태로 발전시키고 고체의 특성을 획득하는 것이 과제였습니다.”라고 설명했습니다.

연구팀은 초고진공 챔버에서 레이저 빔을 사용하여 응축수에서 원자의 움직임을 제어했습니다. 원래의 레이저 세트는 BEC 원자의 절반을 다른 스핀 또는 양자 위상으로 변환하는 데 사용되었습니다. 따라서 두 가지 유형의 BEC가 만들어졌습니다. 추가 레이저 빔의 도움으로 두 응축물 사이의 원자 이동은 스핀 변화를 일으켰습니다.

"추가 레이저는 원자에 스핀-궤도 결합을 위한 추가 에너지 부스트를 제공했습니다."라고 Ketterle은 말했습니다. 물리학자들의 예측에 따르면 생성된 물질은 스핀 궤도에서 공액 원자가 있는 응축물이 자발적인 "밀도 변조"를 특징으로 하기 때문에 "초경질"이어야 했습니다. 즉, 물질의 밀도는 더 이상 일정하지 않습니다. 대신 결정질 고체와 유사한 위상 패턴을 갖게 됩니다.

초경질 재료에 대한 추가 연구는 효율적인 에너지 전달에 중요한 초유체 및 초전도체의 특성에 대한 더 나은 이해로 이어질 수 있습니다. Superhards는 또한 더 나은 초전도 자석 및 센서를 개발하는 데 핵심이 될 수 있습니다.

집계 상태가 아니라 단계

초경질 상태는 물질입니까? 현대 물리학이 제시하는 답은 그렇게 간단하지 않습니다. 우리는 학교에서 물질의 물리적 상태가 물질이 위치한 주요 형태이며 기본 물리적 특성을 결정한다는 것을 기억합니다. 물질의 특성은 구성 분자의 배열과 거동에 의해 결정됩니다. XNUMX세기 물질 상태의 전통적인 구분은 고체(고체), 액체(액체) 및 기체(기체)의 세 가지 상태를 구분합니다.

그러나 현시점에서 물질의 위상은 물질의 존재 형태에 대한 보다 정확한 정의인 것 같다. 개별 상태에서 신체의 특성은 이러한 신체를 구성하는 분자(또는 원자)의 배열에 따라 달라집니다. 이러한 관점에서 볼 때, 집합 상태로의 오래된 분할은 일부 물질에만 해당됩니다. 과학 연구에 따르면 이전에 단일 집합 상태로 간주되었던 것이 실제로는 본질적으로 다른 여러 단계의 물질로 나눌 수 있음이 밝혀졌습니다. 입자 구성. 같은 몸의 분자가 동시에 다르게 배열될 수 있는 상황도 있습니다.

또한, 고체 및 액체 상태는 다양한 방식으로 구현될 수 있음이 밝혀졌습니다. 시스템에서 물질의 위상 수와 시스템에서 질적 변화 없이 변경될 수 있는 집중 변수(예: 압력, 온도)의 수는 Gibbs 위상 원리로 설명됩니다.

물질의 위상 변화는 에너지의 공급 또는 수용을 필요로 할 수 있습니다. 그러면 유출되는 에너지의 양은 위상을 변화시키는 물질의 질량에 비례합니다. 그러나 일부 상전이는 에너지 입력 또는 출력 없이 발생합니다. 우리는 이 몸체를 설명하는 일부 수량의 단계적 변화를 기반으로 위상 변화에 대한 결론을 도출합니다.

지금까지 발표된 가장 광범위한 분류에는 약 XNUMX개의 집계 상태가 있습니다. 많은 물질, 특히 서로 다른 화합물의 혼합물인 물질은 둘 이상의 상으로 동시에 존재할 수 있습니다.

현대 물리학은 일반적으로 액체와 고체의 두 가지 상을 받아들이며 기체 상은 액상의 경우 중 하나입니다. 후자에는 다양한 유형의 플라즈마, 이미 언급한 초전류 단계 및 기타 여러 물질 상태가 포함됩니다. 고체상은 비정질 형태뿐만 아니라 다양한 결정 형태로 표현됩니다.

토폴로지 zawiya

새로운 "집합 상태" 또는 물질의 정의하기 어려운 단계에 대한 보고는 최근 몇 년 동안 과학 뉴스의 끊임없는 레퍼토리였습니다. 동시에 범주 중 하나에 새로운 발견을 할당하는 것이 항상 쉬운 것은 아닙니다. 앞에서 설명한 초고체 물질은 아마도 고체상일 것입니다. 그러나 아마도 물리학자들은 다른 의견을 가지고 있을 것입니다. 몇 년 전 대학 연구실에서

예를 들어 콜로라도에서는 비화 갈륨 입자로 액체, 고체와 같은 물방울이 만들어졌습니다. 2015년 일본 도호쿠 대학의 화학자 Cosmas Prasides가 이끄는 국제 과학자 팀은 절연체, 초전도체, 금속 및 자석의 특성을 결합한 새로운 물질 상태를 발견했다고 발표했으며 이를 Jahn-Teller 금속이라고 합니다.

비정형 "하이브리드" 집계 상태도 있습니다. 예를 들어, 유리는 결정 구조를 가지고 있지 않으므로 때때로 "과냉각된" 액체로 분류됩니다. 추가 - 일부 디스플레이에 사용되는 액정; 퍼티 - 변형 속도에 따라 실리콘 폴리머, 플라스틱, 탄성 또는 부서지기 쉽습니다. 매우 끈적끈적한 자체 유동 액체(한 번 시작하면 상단 유리의 액체 공급이 소진될 때까지 오버플로가 계속됨) 니켈-티타늄 형상기억합금인 니티놀은 구부리면 따뜻한 공기나 액체 속에서 곧게 펴집니다.

분류는 점점 더 복잡해집니다. 현대 기술은 물질 상태 간의 경계를 지웁니다. 새로운 발견이 이루어지고 있습니다. 2016년 노벨상 수상자 David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane 및 J. Michael Kosterlitz는 물리학의 주제인 물질과 수학의 한 분야인 위상수학이라는 두 세계를 연결했습니다. 그들은 위상학적 결함과 물질의 비전통적 위상(위상학적 위상)과 관련된 비전통적 위상 전이가 있음을 깨달았습니다. 이것은 실험적이고 이론적인 작업의 눈사태로 이어졌습니다. 이 눈사태는 여전히 매우 빠른 속도로 흐르고 있습니다.

일부 사람들은 다시 XNUMXD 재료를 새롭고 독특한 물질 상태로 보고 있습니다. 우리는 수년 동안 인산염, 스타넨, 보로펜 또는 마지막으로 인기 있는 그래핀과 같은 이러한 유형의 나노네트워크를 알고 있습니다. 앞서 언급한 노벨상 수상자들은 특히 이러한 단층 재료의 위상 분석에 참여했습니다.

물질의 상태와 물질의 단계에 대한 구식 과학은 먼 길을 온 것 같습니다. 우리가 물리학 수업에서 기억할 수 있는 것보다 훨씬 더.