Бид хэзээ нэгэн цагт материйн бүх төлөвийг мэдэх болов уу? Гурав таван зуугийн оронд

Өнгөрсөн жил хэвлэл мэдээллийн хэрэгслээр "бодисын нэг хэлбэр бий болсон" гэж тарааж байсан бөгөөд үүнийг хэт хатуу эсвэл жишээлбэл, илүү тохиромжтой, гэхдээ Польш хэлээр бага боловч хэт хатуу гэж нэрлэж болно. Массачусетсийн Технологийн хүрээлэнгийн эрдэмтдийн лабораториос гаралтай бөгөөд энэ нь хатуу болон хэт шингэний шинж чанарыг хослуулсан нэг төрлийн зөрчил юм - өөрөөр хэлбэл. тэг зуурамтгай чанар бүхий шингэн.

Физикчид өмнө нь хэт шингэний бодис байдаг гэж таамаглаж байсан ч одоогоор лабораторид үүнтэй төстэй зүйл олдоогүй байна. Массачусетсийн технологийн хүрээлэнгийн эрдэмтдийн хийсэн судалгааны үр дүнг Nature сэтгүүлд нийтэлжээ.

MIT-ийн физикийн профессор, 2001 оны Нобелийн шагналт, багийн ахлагч Вольфганг Кеттерле "Хэт шингэн ба хатуу шинж чанарыг хослуулсан бодис нь нийтлэг ойлголтыг үл тоомсорлодог" гэж сонинд бичжээ.

Материйн энэ зөрчилтэй хэлбэрийг ойлгохын тулд Кеттерлегийн баг хэт хатуу төлөвт байгаа атомуудын хөдөлгөөнийг Bose-Einstein конденсат (BEC) гэж нэрлэгддэг материйн өөр нэг өвөрмөц хэлбэрт хувиргасан. Кеттерл бол физикийн салбарт Нобелийн шагнал хүртсэн BEC-ийг нээсэн хүмүүсийн нэг юм.

"Атомын урхинаас гадуурх хэлбэрт хувирч, хатуу биетийн шинж чанарыг олж авахын тулд конденсатад ямар нэг зүйл нэмэх нь бэрхшээл байсан" гэж Кеттерл тайлбарлав.

Судалгааны баг конденсат дахь атомуудын хөдөлгөөнийг хянахын тулд хэт өндөр вакуум камерт лазер туяа ашигласан. Анхны лазерын багцыг BEC атомын тэн хагасыг өөр спин буюу квант фаз болгон хувиргахад ашигласан. Ийнхүү хоёр төрлийн БХБ бий болсон. Нэмэлт лазер туяаны тусламжтайгаар хоёр конденсат хооронд атомуудыг шилжүүлэх нь эргэлтийн өөрчлөлтийг үүсгэсэн.

"Нэмэлт лазерууд нь атомыг тойрог замд холбоход нэмэлт эрчим хүчийг өгсөн" гэж Кеттерл хэлэв. Физикчдийн таамаглаж буйгаар үүссэн бодис нь "хэт хатуу" байх ёстой, учир нь эргэлтийн тойрог замд нэгдмэл атом бүхий конденсат нь аяндаа "нягт модуляц"-аар тодорхойлогддог. Өөрөөр хэлбэл, материйн нягт тогтмол байхаа болино. Үүний оронд энэ нь талст хатуу биетэй төстэй фазын загвартай болно.

Хэт хатуу материалын талаархи цаашдын судалгаа нь хэт шингэн ба хэт дамжуулагчийн шинж чанарыг илүү сайн ойлгоход хүргэдэг бөгөөд энэ нь эрчим хүчийг үр ашигтай дамжуулахад чухал ач холбогдолтой юм. Superhards нь илүү сайн хэт дамжуулагч соронз, мэдрэгчийг хөгжүүлэх түлхүүр байж болох юм.

Нэгтгэлийн төлөв биш, харин үе шатууд

Хэт хатуу төлөв нь бодис мөн үү? Орчин үеийн физикийн өгсөн хариулт нь тийм ч хялбар биш юм. Бид сургуулиасаа материйн физик төлөв нь тухайн бодис байрлах үндсэн хэлбэр бөгөөд түүний үндсэн физик шинж чанарыг тодорхойлдог гэдгийг бид санаж байна. Бодисын шинж чанар нь түүнийг бүрдүүлэгч молекулуудын зохион байгуулалт, зан үйлээр тодорхойлогддог. XNUMX-р зууны материйн төлөв байдлын уламжлалт хуваагдал нь ийм гурван төлөвийг ялгадаг: хатуу (хатуу), шингэн (шингэн) ба хий (хий).

Гэсэн хэдий ч одоогийн байдлаар материйн үе шат нь материйн оршин тогтнох хэлбэрийг илүү нарийвчлалтай тодорхойлж байх шиг байна. Биеийн биетүүдийн шинж чанар нь эдгээр биетүүдээс бүрдэх молекулуудын (эсвэл атомуудын) зохион байгуулалтаас хамаардаг. Энэ үүднээс авч үзвэл хуучин агрегацын төлөв байдалд хуваах нь зөвхөн зарим бодисуудад үнэн байдаг, учир нь шинжлэх ухааны судалгаагаар өмнө нь нэгдмэл байдлын нэг төлөв гэж тооцогддог байсан зүйл нь үнэндээ шинж чанараараа ялгаатай бодисыг олон үе шатанд хувааж болно. бөөмийн тохиргоо. Нэг биед байгаа молекулуудыг нэгэн зэрэг өөр өөрөөр байрлуулах тохиолдол ч байдаг.

Түүгээр ч барахгүй хатуу ба шингэн төлөвийг янз бүрийн аргаар хэрэгжүүлэх боломжтой болох нь тогтоогдсон. Систем дэх материйн фазын тоо, системийн чанарын өөрчлөлтгүйгээр өөрчлөгдөж болох эрчимтэй хувьсагчдын тоог (жишээлбэл, даралт, температур) Гиббсын фазын зарчмаар тодорхойлсон.

Бодисын фазын өөрчлөлт нь эрчим хүчний хангамж эсвэл хүлээн авах шаардлагатай байж магадгүй - тэгвэл гадагш урсаж буй энергийн хэмжээ нь фазыг өөрчилдөг бодисын масстай пропорциональ байх болно. Гэсэн хэдий ч зарим фазын шилжилт нь эрчим хүчний оролт, гаралтгүйгээр явагддаг. Бид энэ биеийг дүрсэлсэн зарим хэмжигдэхүүн дэх алхамын өөрчлөлтийн үндсэн дээр фазын өөрчлөлтийн талаар дүгнэлт хийдэг.

Өнөөдрийг хүртэл нийтлэгдсэн хамгийн өргөн хүрээний ангилалд таван зуу орчим муж улс байдаг. Олон бодис, ялангуяа янз бүрийн химийн нэгдлүүдийн холимог нь хоёр ба түүнээс дээш үе шатанд нэгэн зэрэг оршиж болно.

Орчин үеийн физик нь ихэвчлэн шингэн ба хатуу гэсэн хоёр үе шатыг хүлээн зөвшөөрдөг бөгөөд хийн фаз нь шингэн фазын тохиолдлын нэг юм. Сүүлийнх нь янз бүрийн төрлийн плазм, аль хэдийн дурдсан хэт гүйдлийн үе шат болон бусад хэд хэдэн материйн төлөвүүдийг агуулдаг. Хатуу фазууд нь янз бүрийн талст хэлбэрүүд, мөн аморф хэлбэрээр илэрхийлэгддэг.

Топологийн завиа

Шинэ "нийт төлөв" буюу материалын тодорхойлоход хэцүү үе шатуудын тухай тайлан нь сүүлийн жилүүдэд шинжлэх ухааны мэдээний байнгын репертуар байсаар ирсэн. Үүний зэрэгцээ аль нэг ангилалд шинэ нээлтүүдийг хуваарилах нь тийм ч хялбар биш юм. Өмнө дурьдсан хэт хатуу бодис нь хатуу фаз байж магадгүй ч физикчид өөр бодолтой байж магадгүй юм. Хэдэн жилийн өмнө их сургуулийн лабораторид

Жишээлбэл, Колорадо мужид галлиум арсенидын тоосонцороос дусал үүссэн - шингэн, хатуу зүйл. 2015 онд Японы Тохокугийн их сургуулийн химич Космас Прасидсоор ахлуулсан олон улсын эрдэмтдийн баг тусгаарлагч, хэт дамжуулагч, металл, соронз зэрэг шинж чанаруудыг нэгтгэсэн материйн шинэ төлөвийг олж илрүүлж, түүнийг Жан-Теллерийн металл гэж нэрлэсэн.

Мөн ердийн бус "эрлийз" нэгтгэсэн төлөвүүд байдаг. Жишээлбэл, шил нь талст бүтэцгүй тул заримдаа "хэт хөргөлттэй" шингэн гэж ангилдаг. Цаашид - зарим дэлгэцэнд ашигладаг шингэн талстууд; шаваас - деформацийн хурдаас хамааран силикон полимер, хуванцар, уян хатан эсвэл бүр хэврэг; супер наалдамхай, өөрөө урсдаг шингэн (эхэлсэний дараа дээд шилний шингэний нийлүүлэлт дуусах хүртэл халих болно); Нитинол, никель-титан хэлбэрийн санах ойн хайлш нь нугалахад дулаан агаар эсвэл шингэнд шулуун болно.

Ангилал нь улам бүр төвөгтэй болж байна. Орчин үеийн технологи нь материйн төлөв хоорондын хил хязгаарыг арилгадаг. Шинэ нээлтүүд хийгдэж байна. 2016 оны Нобелийн шагналт Дэвид Ж.Таулесс, Ф.Данкан, М.Халдан, Ж.Майкл Костерлиц нар физикийн хичээл болох матери, математикийн нэг салбар болох топологи гэсэн хоёр ертөнцийг холбосон. Тэд топологийн согогтой холбоотой уламжлалт бус фазын шилжилт, материйн уламжлалт бус үе шатууд - топологийн үе шатууд байдаг гэдгийг ойлгосон. Энэ нь туршилтын болон онолын ажлын нурангид хүргэсэн. Энэ цасан нуранги одоо ч маш хурдацтай урсаж байна.

Зарим хүмүүс дахин XNUMXD материалыг материйн шинэ, өвөрмөц төлөв гэж харж байна. Бид ийм төрлийн нано сүлжээг - фосфат, станен, борофен, эсвэл эцэст нь алдартай графеныг олон жилийн турш мэддэг. Дээр дурдсан Нобелийн шагналтнууд, ялангуяа эдгээр нэг давхаргат материалын топологийн шинжилгээнд оролцсон.

Материйн төлөв байдал, фазын тухай хуучны шинжлэх ухаан нэлээд хол замыг туулсан бололтой. Физикийн хичээлээс бидний санаж байгаа зүйлээс хол давсан.