A fyddwn ni byth yn gwybod yr holl gyflyrau mater? Yn lle tri, pum cant

Y llynedd, fe ledaenodd y cyfryngau wybodaeth bod “fath o fater wedi codi,” y gellid ei alw’n superhard neu, er enghraifft, yn fwy cyfleus, er yn llai Pwyleg, yn or-galed. Yn dod o labordai gwyddonwyr Sefydliad Technoleg Massachusetts, mae'n fath o wrth-ddweud sy'n cyfuno priodweddau solidau ac uwch-hylifau - h.y. hylifau â gludedd sero.

Mae ffisegwyr wedi rhagweld bodolaeth supernatant o'r blaen, ond hyd yn hyn ni ddarganfuwyd dim byd tebyg yn y labordy. Cyhoeddwyd canlyniadau'r astudiaeth gan wyddonwyr yn Sefydliad Technoleg Massachusetts yn y cyfnodolyn Nature.

“Mae sylwedd sy’n cyfuno superfluidity ac eiddo solet yn herio synnwyr cyffredin,” ysgrifennodd arweinydd tîm Wolfgang Ketterle, athro ffiseg yn MIT ac enillydd Gwobr Nobel 2001, yn y papur.

Er mwyn gwneud synnwyr o'r math gwrthgyferbyniol hwn o fater, bu tîm Ketterle yn trin mudiant atomau mewn cyflwr uwch-solid mewn ffurf ryfedd arall o fater o'r enw cyddwysiad Bose-Einstein (BEC). Mae Ketterle yn un o ddarganfyddwyr BEC, a enillodd iddo Wobr Nobel mewn Ffiseg.

“Yr her oedd ychwanegu rhywbeth at y cyddwysiad a fyddai'n achosi iddo esblygu i ffurf y tu allan i'r 'trap atomig' a ​​chaffael nodweddion solid,” esboniodd Ketterle.

Defnyddiodd y tîm ymchwil drawstiau laser mewn siambr gwactod tra-uchel i reoli symudiad yr atomau yn y cyddwysiad. Defnyddiwyd y set wreiddiol o laserau i drawsnewid hanner yr atomau BEC i gyfnod troelli neu gwantwm gwahanol. Felly, crëwyd dau fath o BECs. Roedd trosglwyddo atomau rhwng dau gyddwysiad gyda chymorth trawstiau laser ychwanegol yn achosi newidiadau sbin.

"Rhoddodd laserau ychwanegol hwb ynni ychwanegol i'r atomau ar gyfer cyplu sbin-orbit," meddai Ketterle. Dylai'r sylwedd canlyniadol, yn ôl rhagfynegiad ffisegwyr, fod wedi bod yn "uwch-galed", gan y byddai cyddwysiadau ag atomau cyfun mewn orbit troellog yn cael eu nodweddu gan "fodyliad dwysedd" digymell. Mewn geiriau eraill, byddai dwysedd mater yn peidio â bod yn gyson. Yn lle hynny, bydd ganddo batrwm cyfnod tebyg i solid crisialog.

Gall ymchwil pellach i ddeunyddiau caled iawn arwain at well dealltwriaeth o briodweddau hylifau uwch ac uwch-ddargludyddion, a fydd yn hanfodol ar gyfer trosglwyddo ynni'n effeithlon. Efallai y bydd Superhards hefyd yn allweddol i ddatblygu gwell magnetau a synwyryddion uwch-ddargludo.

Nid cyflwr agregu, ond cyfnodau

Ydy'r cyflwr gor-galed yn sylwedd? Nid yw'r ateb a roddir gan ffiseg fodern mor syml. Cofiwn o'r ysgol mai cyflwr ffisegol mater yw'r brif ffurf y lleolir y sylwedd ynddo ac y mae'n pennu ei briodweddau ffisegol sylfaenol. Mae priodweddau sylwedd yn cael eu pennu gan drefniant ac ymddygiad ei foleciwlau cyfansoddol. Mae rhaniad traddodiadol cyflwr mater yr XNUMXeg ganrif yn gwahaniaethu rhwng tri chyflwr o'r fath: solet (solid), hylif (hylif) a nwyol (nwy).

Fodd bynnag, ar hyn o bryd, mae'r cyfnod mater i'w weld yn ddiffiniad mwy cywir o'r ffurfiau o fodolaeth mater. Mae priodweddau cyrff mewn cyflyrau unigol yn dibynnu ar drefniant y moleciwlau (neu'r atomau) y mae'r cyrff hyn wedi'u cyfansoddi ohonynt. O'r safbwynt hwn, dim ond ar gyfer rhai sylweddau y mae'r hen raniad i gyflwr agregu yn wir, gan fod ymchwil wyddonol wedi dangos y gellir rhannu'r hyn a ystyriwyd yn flaenorol yn gyflwr agregu sengl yn sawl cam o sylwedd sy'n wahanol o ran ei natur. ffurfwedd gronynnau. Mae hyd yn oed sefyllfaoedd pan ellir trefnu moleciwlau yn yr un corff yn wahanol ar yr un pryd.

Ar ben hynny, mae'n troi allan y gall y cyflwr solet a hylifol yn cael eu gwireddu mewn amrywiaeth o ffyrdd. Disgrifir nifer y cyfnodau mater yn y system a nifer y newidynnau dwys (er enghraifft, pwysau, tymheredd) y gellir eu newid heb newid ansoddol yn y system gan egwyddor cyfnod Gibbs.

Efallai y bydd newid yng nghyfnod sylwedd yn gofyn am gyflenwad neu dderbyn egni - yna bydd faint o egni sy'n llifo allan yn gymesur â màs y sylwedd sy'n newid y gwedd. Fodd bynnag, mae rhai trawsnewidiadau cyfnod yn digwydd heb fewnbwn nac allbwn ynni. Rydym yn dod i gasgliad am y newid fesul cam yn seiliedig ar y newid graddol mewn rhai meintiau wrth ddisgrifio'r corff hwn.

Yn y dosbarthiad helaethaf a gyhoeddwyd hyd yn hyn, y mae tua phum cant o daleithiau cyfun. Gall llawer o sylweddau, yn enwedig y rhai sy'n gymysgeddau o wahanol gyfansoddion cemegol, fodoli ar yr un pryd mewn dau gyfnod neu fwy.

Mae ffiseg fodern fel arfer yn derbyn dau gam - hylif a solet, gyda'r cyfnod nwy yn un o achosion y cyfnod hylif. Mae'r olaf yn cynnwys gwahanol fathau o blasma, y ​​cyfnod uwchlif a grybwyllwyd eisoes, a nifer o gyflyrau mater eraill. Cynrychiolir cyfnodau solet gan wahanol ffurfiau crisialog, yn ogystal â ffurf amorffaidd.

Zawiya topolegol

Mae adroddiadau am "wladwriaethau cyfanredol" newydd neu gyfnodau anodd eu diffinio o ddeunyddiau wedi bod yn repertoire cyson o newyddion gwyddonol yn ystod y blynyddoedd diwethaf. Ar yr un pryd, nid yw bob amser yn hawdd pennu darganfyddiadau newydd i un o'r categorïau. Mae'n debyg bod y sylwedd uwch-solid a ddisgrifiwyd yn gynharach yn gyfnod solet, ond efallai bod gan ffisegwyr farn wahanol. Ychydig flynyddoedd yn ôl mewn labordy prifysgol

Yn Colorado, er enghraifft, crëwyd dropleton o ronynnau o gallium arsenide - rhywbeth hylifol, rhywbeth solet. Yn 2015, cyhoeddodd tîm rhyngwladol o wyddonwyr dan arweiniad y cemegydd Cosmas Prasides ym Mhrifysgol Tohoku yn Japan eu bod wedi darganfod cyflwr mater newydd sy'n cyfuno priodweddau ynysydd, uwch-ddargludydd, metel a magnet, gan ei alw'n fetel Jahn-Teller.

Mae yna hefyd gyflyrau agregau "hybrid" annodweddiadol. Er enghraifft, nid oes gan wydr strwythur crisialog ac felly weithiau caiff ei ddosbarthu fel hylif "supercooled". Ymhellach - crisialau hylif a ddefnyddir mewn rhai arddangosfeydd; pwti - polymer silicon, plastig, elastig neu hyd yn oed brau, yn dibynnu ar y gyfradd anffurfio; hylif uwch-gludiog, hunan-lifo (ar ôl dechrau, bydd y gorlif yn parhau nes bod y cyflenwad hylif yn y gwydr uchaf wedi dod i ben); Bydd Nitinol, aloi cof siâp nicel-titaniwm, yn sythu mewn aer cynnes neu hylif wrth blygu.

Mae'r dosbarthiad yn dod yn fwy a mwy cymhleth. Mae technolegau modern yn dileu'r ffiniau rhwng cyflwr mater. Mae darganfyddiadau newydd yn cael eu gwneud. Cysylltodd enillwyr Gwobr Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane a J. Michael Kosterlitz - ddau fyd: mater, sy'n destun ffiseg, a thopoleg, sy'n gangen o fathemateg. Sylweddolon nhw fod trawsnewidiadau cyfnod anhraddodiadol yn gysylltiedig â diffygion topolegol a chyfnodau mater anhraddodiadol - cyfnodau topolegol. Arweiniodd hyn at lu o waith arbrofol a damcaniaethol. Mae'r eirlithriad hwn yn dal i lifo'n gyflym iawn.

Mae rhai pobl unwaith eto yn gweld deunyddiau XNUMXD fel cyflwr mater newydd, unigryw. Rydym wedi adnabod y math hwn o nanonetwaith - ffosffad, stanene, borophene, neu, yn olaf, y graphene poblogaidd - ers blynyddoedd lawer. Mae enillwyr y Wobr Nobel y soniwyd amdanynt uchod wedi bod yn ymwneud, yn benodol, â dadansoddiad topolegol y deunyddiau un haen hyn.

Mae'n ymddangos bod y wyddoniaeth hen ffasiwn o gyflwr mater a chyfnodau mater wedi dod yn bell. Ymhell y tu hwnt i'r hyn y gallwn ei gofio o hyd o wersi ffiseg.