Ликбез RnD.CNews: все состояния материи, кроме известных со школы
Четыре естественных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Однако конденсаты Бозе-Эйнштейна производятся только в лаборатории. Другие экзотические состояния материи также могут быть созданы в экстремальных условиях в лаборатории, например, фермионные конденсаты и кристаллы времени. Существует даже совсем странный тип материи, известный как «фаза расплавленной цепи», когда вещество, как правило, металл, стабильно существует как в жидком, так и в твердом состоянии одновременно.
Плазма
Плазма — далеко не самое распространенное состояние вещества здесь, на Земле, но, возможно, это самое популярное состояние материи во Вселенной. Звезды, подобные Солнцу, по существу представляют собой перегретые шары плазмы.
Плазма состоит из сильно заряженных частиц с чрезвычайно высокой кинетической энергией. Благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) часто используются для изготовления светящихся вывесок при помощи ионизации их электричеством до состояния плазмы.
Бозе-эйнштейновский конденсат, или конденсат Бозе-Эйнштейна
Бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК) был впервые создан в 1995 году. Используя комбинацию лазеров и магнитов, Эрик Корнелл и Карл Вейман, ученые из США, охладили образец рубидия до абсолютного нуля. При такой чрезвычайно низкой температуре молекулярное движение очень близко к остановке. Поскольку кинетическая энергия практически не передается от одного атома к другому, атомы начинают слипаться. Больше нет тысяч отдельных атомов, есть только один «суператом».
БЭК используются для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Кажется, что свет замедляется при прохождении через БЭК, что позволяет изучать корпускулярно-волновой дуализм.
БЭК обладает многими свойствами сверхтекучей жидкости или жидкости, которая течет без трения. БЭК также используются для моделирования условий, которые могут существовать в черных дырах.
Новые состояния материи
Многие другие состояния материи были созданы в экстремальных или экзотических условиях. Например, в мае 2023 года ученые создали «бозонный коррелированный изолятор» — симметричное кристаллическое состояние с нейтральным зарядом.
В 2021 году ученые довели воду до сверхвысокого давления и обработали ее лазерами, чтобы создать «суперионный лед» — необычную новую форму воды, похожую на твердую решетку кислорода, находящуюся в океане плавающих атомов водорода.
В том же году исследование, опубликованное в журнале PNAS, показало, что во время перехода из жидкого состояния в твердое стекло переходит в новое состояние, называемое жидким стеклом. На микроскопическом уровне жидкое стекло находится где-то между твердым и гелеобразным веществом (коллоидом). Когда вещество превращается из жидкости в твердое тело, молекулы располагаются в кристаллической структуре — в случае со стеклом этого не происходит, и частицы замораживаются на месте до того, как произойдет кристаллизация. По мнению исследователей, частицы жидкого стекла более гибкие, чем твердое стекло, но не могут вращаться.
Кристаллы времени — это форма вещества, которая была впервые предложена в 2012 году физиком Франком Вильчеком. Кристаллы времени изготавливаются в лаборатории и способны переключаться между двумя состояниями энергии, не теряя при этом энергию. Поскольку они не достигают равновесия или устойчивого состояния, они способны уклониться от второго закона термодинамики, который гласит, что беспорядок или энтропия замкнутой системы всегда увеличивается.
Кристаллы времени были созданы в лаборатории в 2017 году, а в 2021 году Google создала кристалл времени в квантовом компьютере — кристалл просуществовал 100 секунд, прежде чем эфемерное состояние распалось.
В первом эксперименте, демонстрирующем эту странную фазу, ученые охладили облако из полумиллиона атомов калия-40 до температуры менее чем на миллионную долю градуса выше абсолютного нуля, а затем приложили к ним магнитное поле. Это заставило атомы калия объединиться в пары, создав состояние, похожее на сверхпроводимость, которое возникает в электронных парах.
Поделиться
