هل سنعرف كل حالات المادة؟ بدلا من ثلاث وخمسمائة

في العام الماضي ، نشرت وسائل الإعلام معلومات مفادها أن "شكلاً من أشكال المادة قد نشأ" ، والذي يمكن تسميته فائق الصلابة أو ، على سبيل المثال ، أكثر ملاءمة ، وإن كان أقل بولنديًا ، فائق الصلابة. قادم من مختبرات العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، إنه نوع من التناقض الذي يجمع بين خصائص المواد الصلبة والسوائل الفائقة - أي سوائل بدون لزوجة.

توقع الفيزيائيون سابقًا وجود مادة طافية ، لكن حتى الآن لم يتم العثور على شيء مماثل في المختبر. نُشرت نتائج الدراسة التي أجراها علماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في مجلة Nature.

كتب قائد الفريق وولفجانج كيترل ، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والحائز على جائزة نوبل عام 2001 ، في الورقة البحثية: "المادة التي تجمع بين السيولة الفائقة والخصائص الصلبة تتحدى الفطرة السليمة".

لفهم هذا الشكل المتناقض من المادة ، تلاعب فريق Ketterle بحركة الذرات في حالة صلبة فائقة في شكل غريب آخر من المادة يسمى Bose-Einstein condensate (BEC). Ketterle هو أحد مكتشفي BEC ، والذي أكسبه جائزة نوبل في الفيزياء.

أوضح كيترل: "كان التحدي يتمثل في إضافة شيء إلى المكثف من شأنه أن يتسبب في تطوره إلى شكل خارج" المصيدة الذرية "واكتساب خصائص مادة صلبة".

استخدم فريق البحث أشعة الليزر في غرفة مفرغة فائقة التفريغ للتحكم في حركة الذرات في المكثف. تم استخدام المجموعة الأصلية من الليزر لتحويل نصف ذرات BEC إلى دورة مختلفة أو طور كمي. وهكذا ، تم إنشاء نوعين من BECs. تسبب نقل الذرات بين اثنين من المكثفات بمساعدة أشعة الليزر الإضافية في حدوث تغيرات في الدوران.

قال كيتيرلي: "زودت أشعة الليزر الإضافية الذرات بدفعة إضافية من الطاقة لاقتران مدار الدوران". يجب أن تكون المادة الناتجة ، وفقًا لتوقعات الفيزيائيين ، "فائقة الصلابة" ، لأن المكثفات ذات الذرات المترافقة في مدار سيني تتميز بـ "تعديل كثافة" تلقائي. بمعنى آخر ، ستتوقف كثافة المادة عن الثبات. بدلاً من ذلك ، سيكون لها نمط طور مشابه لمادة صلبة بلورية.

قد يؤدي إجراء مزيد من البحث في المواد فائقة الصلابة إلى فهم أفضل لخصائص السوائل الفائقة والموصلات الفائقة ، والتي ستكون ضرورية لنقل الطاقة بكفاءة. قد تكون الأجهزة الفائقة أيضًا المفتاح لتطوير مغناطيسات وأجهزة استشعار فائقة التوصيل.

ليست حالات التجميع ، بل مراحل

هل الحالة الشديدة الصلابة هي مادة؟ الإجابة التي قدمتها الفيزياء الحديثة ليست بهذه البساطة. نتذكر من المدرسة أن الحالة المادية للمادة هي الشكل الرئيسي الذي توجد فيه المادة وتحدد خصائصها الفيزيائية الأساسية. يتم تحديد خصائص المادة من خلال ترتيب وسلوك الجزيئات المكونة لها. يميز التقسيم التقليدي لحالات المادة في القرن السابع عشر ثلاث حالات: صلبة (صلبة) ، سائلة (سائلة) وغازية (غازية).

ومع ذلك ، في الوقت الحاضر ، يبدو أن مرحلة المادة هي تعريف أكثر دقة لأشكال وجود المادة. تعتمد خصائص الأجسام في الدول الفردية على ترتيب الجزيئات (أو الذرات) التي تتكون منها هذه الأجسام. من وجهة النظر هذه ، فإن التقسيم القديم إلى حالات التجميع صحيح فقط لبعض المواد ، حيث أظهر البحث العلمي أن ما كان يُعتبر سابقًا حالة تجميع واحدة يمكن في الواقع تقسيمه إلى عدة مراحل من مادة تختلف في الطبيعة. تكوين الجسيمات. حتى أن هناك حالات يمكن فيها ترتيب الجزيئات في نفس الجسم بشكل مختلف في نفس الوقت.

علاوة على ذلك ، اتضح أنه يمكن إدراك الحالة الصلبة والسائلة بعدة طرق. يتم وصف عدد مراحل المادة في النظام وعدد المتغيرات المكثفة (على سبيل المثال ، الضغط ودرجة الحرارة) التي يمكن تغييرها دون تغيير نوعي في النظام من خلال مبدأ مرحلة جيبس.

قد يتطلب التغيير في طور المادة إمداد أو استلام الطاقة - ثم تتناسب كمية الطاقة المتدفقة مع كتلة المادة التي تغير المرحلة. ومع ذلك ، تحدث بعض انتقالات الطور بدون إدخال أو إخراج للطاقة. نخلص إلى استنتاج حول تغيير المرحلة على أساس تغيير خطوة في بعض الكميات التي تصف هذا الجسم.

في التصنيف الأكثر شمولاً الذي تم نشره حتى الآن ، هناك حوالي خمسمائة حالة مجمعة. يمكن أن توجد العديد من المواد ، خاصة تلك التي تكون عبارة عن خليط من مركبات كيميائية مختلفة ، في وقت واحد على مرحلتين أو أكثر.

تقبل الفيزياء الحديثة عادةً مرحلتين - سائلة وصلبة ، مع كون المرحلة الغازية إحدى حالات المرحلة السائلة. يتضمن الأخير أنواعًا مختلفة من البلازما ، ومرحلة التيار الفائق التي سبق ذكرها ، وعددًا من حالات المادة الأخرى. يتم تمثيل الأطوار الصلبة بأشكال بلورية مختلفة ، بالإضافة إلى شكل غير متبلور.

الزاوية الطوبولوجية

كانت تقارير "الحالات الإجمالية" الجديدة أو مراحل المواد التي يصعب تحديدها بمثابة ذخيرة ثابتة للأخبار العلمية في السنوات الأخيرة. في الوقت نفسه ، ليس من السهل دائمًا تخصيص اكتشافات جديدة لإحدى الفئات. من المحتمل أن تكون المادة الصلبة الفائقة الموصوفة سابقًا مرحلة صلبة ، لكن ربما يكون للفيزيائيين رأي مختلف. قبل بضع سنوات في معمل جامعي

في كولورادو ، على سبيل المثال ، تم إنشاء قطيرة من جزيئات زرنيخيد الغاليوم - شيء سائل ، شيء صلب. في عام 2015 ، أعلن فريق دولي من العلماء بقيادة الكيميائي كوزماس براسيدس في جامعة توهوكو في اليابان عن اكتشاف حالة جديدة من المادة تجمع بين خصائص العازل والموصل الفائق والمعدن والمغناطيس ، ويطلق عليها معدن Jahn-Teller.

هناك أيضًا حالات تجميعية غير نمطية "هجينة". على سبيل المثال ، لا يحتوي الزجاج على بنية بلورية ، ولذلك يُصنف أحيانًا على أنه سائل "فائق التبريد". علاوة على ذلك - البلورات السائلة المستخدمة في بعض شاشات العرض ؛ المعجون - بوليمر سيليكون أو بلاستيك أو مرن أو حتى هش ، اعتمادًا على معدل التشوه ؛ سائل فائق الالتصاق ذاتي التدفق (بمجرد أن يبدأ ، سيستمر الفائض حتى يتم استنفاد إمداد السائل في الزجاج العلوي) ؛ النيتينول ، سبيكة ذاكرة على شكل نيكل-تيتانيوم ، سوف يتم تقويمها في الهواء الدافئ أو السائل عند الانحناء.

يصبح التصنيف أكثر تعقيدًا. التقنيات الحديثة تمحو الحدود بين حالات المادة. يتم إجراء اكتشافات جديدة. ربط الفائزون بجائزة نوبل لعام 2016 - ديفيد ج. لقد أدركوا أن هناك انتقالات طور غير تقليدية مرتبطة بعيوب طوبولوجية ومراحل غير تقليدية للمادة - المراحل الطوبولوجية. أدى هذا إلى سيل كبير من العمل التجريبي والنظري. لا يزال هذا الانهيار الجليدي يتدفق بوتيرة سريعة للغاية.

يرى بعض الناس مرة أخرى المواد ثنائية الأبعاد على أنها حالة جديدة وفريدة من نوعها للمادة. لقد عرفنا هذا النوع من الشبكات النانوية - الفوسفات ، والستانين ، والبوروفين ، أو أخيرًا الجرافين الشائع - لسنوات عديدة. وقد شارك الحائزون على جائزة نوبل المذكورة أعلاه ، على وجه الخصوص ، في التحليل الطوبولوجي لهذه المواد أحادية الطبقة.

يبدو أن العلم القديم لحالات المادة ومراحل المادة قد قطع شوطًا طويلاً. أبعد بكثير مما لا زلنا نتذكره من دروس الفيزياء.