371
10 незвичайних станів матерії
Більшість людей легко назвати трьома класичними станами речовини: рідина, тверда і газоподібна. Ті, хто має трохи знання науки, додають плазму до цих трьох.
Але з часом вчені розширили перелік можливих станів, що знаходяться за межами цих чотирьох. У процесі ми дізналися багато про Великий Bang, світильники, і секретний стан матерії, прихованої в скромній курці.
Аморфний і твердий
Аморфні тверді речовини є досить цікавим підгрупою відомого твердого стану. У нормальному твердому об'єкті молекули добре організовані і не мають багато місця для переміщення. Це дає тверду високу в'язкість, яка є виміром стійкості рідини. Рідини, з іншого боку, мають неорганізовану молекулярну структуру, яка дозволяє їм витікати, викласти, змінити форму і взяти форму посуду, в якій вони знайдені. Аморфні тверді речовини десь між цими двома державами. У процесі вітрифікації рідини охолоджують вниз і їх в'язкість підвищується до тих пір, поки речовина більше не тече, як рідина, але її молекули залишаються порушеннями і не приймають на кристалічній структурі, як звичайні тверді речовини.
Найпоширеніший приклад аморфного твердого скла. На тисячу років люди склали з кремнію. Коли склокери охолоджуються кремнеземом з рідкого стану, він не вірно твердить, коли він падає нижче точки плавлення. При перепадах температури підвищується в'язкість, речовина здається важче. Тим не менш, її молекули залишаються порушеннями. А потім скло стає аморфним і твердим одночасно. Цей перехідний процес дозволило майстрам створювати красиві та злиті скляні конструкції.
Що таке функціональна різниця між аморфними твердими речовинами та звичайними твердими речовинами? У повсякденному житті не дуже помітно. Стекло з'являється ідеально твердим до тих пір, поки ви вивчаєте його на молекулярному рівні. І міф, що скляні стоки з часом не варто зламаних копій. Найчастіше цей міф підтримується аргументами, що старе скло в церквах здається більш товстим, але це пов'язано з імперфікацією процесу склініння в момент створення цих склянок. Однак дослідження аморфних твердих тіл, як скло цікавий з наукової точки зору для вивчення фазових переходів та молекулярної структури.
Суперкритичні рідини
Більшість фазових переходів відбуваються при певній температурі і тиску. Ці знання, що виникають температури, в кінцевому підсумку перетворюються рідини в гази. Однак, коли тиск підвищується при температурі, рідина стрибає в царство надкритих рідин, які мають властивості як газу, так і рідини. Наприклад, суперкритичні рідини можуть проходити через тверді речовини як газ, але також можуть виступати як розчинник, як рідина. Цікаво, що надкритична рідина може бути виготовлена більш як газ або рідина, в залежності від комбінації тиску і температури. Це дозволило науковцям знайти безліч додатків для надкритих рідин.
Хоча суперкритичні рідини не так часто зустрічаються як аморфні тверді речовини, ви, ймовірно, взаємодіяти з ними, як часто, як ви робите зі склом. Суперкритичний вуглекислий газ любий пивоварами для його здатності діяти як розчинник при взаємодії з хмелями, так і кавовими компаніями, які використовують його для виробництва найкращої дефеїнованої кави. Для більш ефективного гідролізу і для електростанцій, які працюють при високих температурах. В цілому, ви, ймовірно, використовуєте побічні продукти поверхневих рідин щодня.
Дегенерат газу
Незважаючи на те, що аморфні тверді речовини не знайдені на планеті Земля, дегенераційна речовина міститься тільки в певних типах зірок. Дегенераційний газ існує при зовнішньому тиску речовини визначається не температурою, як на Землі, але за складними квантовими принципами, зокрема принципом Pauli. Через це зовнішній тиск дегенеративної речовини буде стійкий навіть якщо температура речовини припадає до абсолютного нуля. Є два основних типи дегенераційної речовини: електрон-дегенерат і неутронно-дегенератна речовина.
Електронно-дегенераційна речовина існує в основному в білих карликах. Утворюється в серці зірки, коли маса матерії навколо ядра намагається компресувати електрони ядра до нижнього енергетичного стану. Відповідно до принципу Павла, дві ідентичні частинки не можуть бути в одному енергетичному стані. Таким чином, частинки залишають матерію навколо ядер, створюючи тиск. Це можливо тільки якщо зірка менше 1.44 разів маса Сонця. Коли зірка перевищила цей ліміт (відомий як обмеження Chandrasekhar), він просто згорнеться в нейтронний зір або чорний отвір.
Коли зірка згортається і стає нейтронною зіркою, вона більше не має електрон-дегенерату, вона складається з нейтронно-дегенеративної речовини. Оскільки нейтронна зірка важка, електрони зливаються з протонами в її ядрі, утворюючи нейтрони. Бездротові нейтрони (нейтрони, не зв'язані в атомному ядрі) мають півліття 10.3 хвилин. Але в серці нейтронної зірки маса зірки дозволяє нейтронам існувати зовні нуклеї, утворюючи нейтронно-дегенератну речовину.
Також існують і інші екзотичні форми дегенерату, в тому числі дивовижна матерія, яка може існувати в рідкісній формі зірок, які називаються кварковими зірками. Зірочки кварка - це етап між нейтронною зіркою і чорним отвором, де кварки в ядрі невилічені і утворюють суп вільних кварків. Ми ще не спостерігали цей тип зірки, але фізики, які припускають їх.
Протидія
р.
Повернутися до Землі, щоб обговорити зайві дії. Суперфлюїдність - це стан матерії, що існує в певних ізотопах гелію, рубідію, і літію охолоджують до абсолютного нуля. Цей стан схожий на Bose-Einstein конденсат, з кількома відмінностями. Деякі BECs є надпотужними, і деякі поверхневі стани є BECs, але не всі ідентичні.
Рідкий гелій відомий своєю надмірністю. Коли гелій охолоджується до точки лямбда -270 градусів Цельсій, частина рідини стає зайвою. Якщо більшість речовин охолоджуються в певну точку, атракціон між атомами перевищує теплові коливання, що дозволяють їм сформувати тверду структуру. Але гелійські атоми взаємодіють настільки слабко, що вони можуть залишатися рідиною при температурі біля абсолютної нулі. Виходить, що при цій температурі характеристика окремих атомів перекриття, що призводять до виникнення дивних властивостей зайвості.
Суперфлюси не мають внутрішньої в'язкості. Суперфлюїди, розміщені в тестовій трубі, починають перекручувати сторони тестової труби, здавалося б, зволожуючи закони тяжіння і поверхневого натягу. Рідкий гелій легко витікає, так як він може ковзати навіть через мікроскопічні отвори. Superfluidity також має дивні термодинамічні властивості. У цьому стані речовини мають нульову термодинамічну ентропію і нескінченну теплопровідність. Це означає, що два суперфлюти не можуть бути теплово різними. Якщо додати тепло до поверхневого впливу, він проводить його так швидко, що теплові хвилі утворюються, що не типові для звичайних рідин.
Bose-Einstein конденсат
Конденсат Bose-Einstein, ймовірно, є одним з найвідоміших нездатних форм матерії. По-перше, нам необхідно зрозуміти, які босони і бродіння. Ферміон - це частинка з напівінтегральним хребтом (наприклад, електрон) або композитною частинкою (наприклад, протон). Ці частинки обіюють принцип Pauli, що дозволяє існування електрон-дегенеративної речовини. Босон, проте, має повне ціле хребта, і єдиний квантовий стан може зайняти кілька босонів. Босони включають в себе будь-які силові частинки (наприклад, фотон), а також деякі атоми, включаючи гелій-4 та інші гази. Елементи в цій категорії відомі як босонічні атоми.
У 1920-х роках Альберт Ейнштейн звернув на роботу індійського фізика Satiendra Nath Bose, щоб запропонувати нову форму матерії. Оригінальна теорія Ейнштейна була в тому, що якщо ви охолоджуєте певні елементарні гази до дробу над абсолютним нульовим, їх функції хвилі будуть об'єднані для створення одного «суператом». Така речовина буде експонувати квантові ефекти на макроскопічному рівні. Але не до 1990-х років технологія, яка необхідна для охолодження елементів до таких температур. У 1995 році вчені Eric Cornell і Carl Wieman змогли об'єднати 2,000 атомів в конденсат Bose-Einstein, який був досить великим, щоб побачити через мікроскоп.
Конденсати Bose-Einstein тісно пов'язані з поверхневими, але також мають власний набір унікальних властивостей. Смішні речі, які BEC можуть уповільнювати нормальну швидкість світла. У 1998 році Гарвардський вчений Lene Howe зміг уповільнити світло до 60 кілометрів на годину, пройшовши лазер через цикл-подібний зразок BEC. У пізніх експериментах група Howe досягла повного припинення світла в BEC шляхом відключення лазера як світло, що проходить через зразок. Ці експерименти відкрили нове поле спілкування на основі легких і квантових обчислень.
Ян-Теллер метали
Ян-Теллерські метали – нова дитина в світі державної матерії, оскільки вчені змогли успішно створити їх вперше тільки в 2015 році. Якщо підтверджено іншими лабораторіями, ці метали можуть змінити світ, оскільки вони мають властивості ізолятора і надпровідника.
Вчені під керівництвом хіміка Cosmas Prassides експериментували шляхом введення рубідію в структуру молекул вуглецевих-60 (в поширених людей, які відомі як повноерен), що призвело до того, що повноерен приймає нову форму. Цей метал названий після ефекту Jan-Teller, який описує, як тиск може змінити геометричну форму молекул в нових електронних конфігураціях. При хімії тиск досягається не тільки шляхом компресування чогось, але і шляхом додавання нових атомів або молекул до попередньо зростаючої структури, зміни основних властивостей.
Коли команда наукових досліджень Prassides почала додавати рубідію до молекул вуглецевих-60, вуглецеві молекули змінилися від ізоляторів до напівпровідників. Тим не менш, за рахунок Jan-Teller ефект, молекули намагалися залишитися в старій конфігурації, яка створила речовину, яка спробувала бути ізольованим, але мала електричні властивості надпровідника. Перехід між ізолятором і надпровідником ніколи не розглядався до початку цих експериментів.
Цікава річ про металобрухту Jan-Teller полягає в тому, що вони стають надпровідниками при високих температурах (-135 градусів Цельсієм, не на 243.2 градусів, як звичайно). Це приносить їм більш прийнятні рівні для масового виробництва та експериментування. Якщо підтверджено, ми можемо бути одним кроком ближче до побудови кімнатно-температурних надпровідників, які перетворять безліч площ нашого життя.
фотон
Протягом десятиліть фотони були подумані, щоб бути безмасштабними частинками, які не взаємодіють один з одним. Проте, за останні кілька років, MIT та Гарвардські вчені виявили нові шляхи до «кінцевого» світла з масою — і навіть створюють «легкі молекули», які виражають один одного і зв’язуються разом. Деякі вважають, що це перший крок до створення світильника.
Наука фотонної матерії трохи складна, але цілком можливо її ускладнити. Вчені розпочали створення фотоніки шляхом експериментування з надтвердим рубідним газом. Під час фотонних пагонів через газ, він відображає та взаємодіє з молекулами рубідію, втрати енергії та уповільнення. Адже фотон залишає хмару дуже повільно.
При переході двох фотонів через газ, що дає початок феномену, відомий як блорад Ридберг. При збудженні атома фотон, поблизу атомів не можна збуджуватися до того ж ступеня. Збуджена атом - в шляху фотон. Для атома поруч, щоб бути збуджена другим фотоном, спочатку фотон повинен пройти через газ. Фотон зазвичай не взаємодіє один з одним, але коли вони зустрічаються з блокадою Ридберга, вони виштовхують один одного через газ, змінюючи енергію і взаємодіють один з одним. Ззовні, здається, що фотони мають масу і діють як єдине молекулу, хоча вони фактично безмасштабні. Коли фотони виходять з газу, вони з'являються разом, як молекула світла.
Практичне застосування фотонної матерії залишається питання, але воно неодмінно знайдеться. Може бути навіть в світильниках.
Незамовленість
Намагаючись визначити, чи є речовина в новому стані, вчені дивляться на структуру речовини, а також її властивості. У 2003 році Саватор Торуто і Франк Натюрморт Принцтонського університету запропонували новий стан матері, відомого як порушення супермогенності. Хоча ця фраза виглядає як оксиморон, на її ядрі вона пропонує новий тип речовини, яка, здається, порушений на більш детальний огляд, але надоднорідний і структурований з афарю. Така речовина повинна мати властивості кристала і рідини. На перший погляд, це вже існує в плазмі і рідкому водні, але нещодавно вчені виявили природний приклад, де ніхто не очікував: в курячому оці.
Курки мають п'ять конусів у їх сітківці. Чотири виявляти колір і відповідальність за рівні світла. Однак, на відміну від очей людини або шестигранних очей комах, ці коні розсіюються випадково, не мають реального порядку. Це тому, що конуси в оці курки мають зони відчуження навколо них, які запобігають двома конусами однакового типу з бокового боку. Через зону відчуження і форму конусів вони не можуть формувати замовні кристалічні конструкції (як у твердих речовинах), але коли всі коні обробляються як один, вони з'являються, щоб мати дуже замовлений візерунок, як показано на зображеннях нижче. Так ми можемо описати ці конуси в сітці ока курки як рідина на більш детальному огляді і як твердий при перегляді з афарю. Це відрізняється від аморфних твердих речовин, які ми обговорювали вище, оскільки цей надоднорідний матеріал буде діяти як рідина, при цьому аморфний твердий не буде.
Вчені все ще розслідують цей новий стан матерії, оскільки він може бути більш поширеним, ніж спочатку думав. Зараз вчені Принцтонського університету намагаються адаптувати такі ультраоднорідні матеріали для створення самоорганізуючих структур і світлових детекторів, які відповідають світлом з певною довжиною хвилі.
Струнні сітки
Який стан речовини є космічним вакуумом? Більшість людей не думають про це, але в останні десять років, Xiao Gang-wen MIT і Майкл Левін Гарвардського запропонував новий стан матерії, що може призвести до виявлення фундаментальних частинок після електрону.
У середині 90-х років група вчених запропонувала так звані квазічастинки, які з'явилися в експерименті, коли електрони пройшли між двома напівпровідниками. У квазічастинках діяли, якби вони мали дробову заряду, яка здавалося б неможливе для фізики в часі. Вчені проаналізували дані і запропонували, що електрон не є фундаментальною частинкою Всесвіту і що є фундаментальні частинки, які ми ще не виявили. Ця робота виграла їх Нобелівською премією, але пізніше вона виявилася, що помилка в експерименті перевернулася до результатів їх роботи. Добро забути.
Але не всі. Мин і Левін взяли ідею квазічастин як основи і запропонували новий стан матерії, рядок-мережі. Основною властивістю цієї держави є квантова заплутаність. Як при порушеній надчутливості, якщо ви подивитеся на матеріал стрункої роботи, він буде виглядати як розладний набір електронів. Але якщо ви подивитеся на неї в цілому структурі, ви побачите високий порядок через квантово-плутані властивості електронів. Сон і Левін потім розширили свою роботу, щоб обходити інші частинки і властивості заплутаності.
Після роботи через комп'ютерні моделі для нового стану матерії, Wen і Levin виявили, що кінці струнних мереж можуть виробляти різні субатомічні частинки, включаючи легендарні «квазічастинки». Ще більш дивно було те, що коли вібрати стрункого матеріалу, це так відповідно до рівнянь Maxwell для світла. Мин і Левін запропонували, що космос наповнений струнними мережами заплутаних субатомних частинок і що кінці цих струнних мереж є субатомними частинками, які ми спостерігаємо. Вони також гіпотези, що струнка-мережа може підтримувати існування світла. Якщо космічний вакуум заповнюється стрункою мережею, це може дозволити нам поєднувати світло і матерію.
Все це може здатися далеко неочищеним, але в 1972 році (декади перед пропозиціями струнких мереж) геологи виявили дивний матеріал в Чилі - гербертайміт. В цьому мінералі електрони утворюють трикутні конструкції, які, здавалося,, суперечать всім, що ми знаємо про електрони, взаємодіючи один з одним. Крім того, ця трикутна структура була пророкована в складі стрункої моделі, і вчені працювали з штучним гербермітом для підтвердження моделі точно.
Quark-глюон плазма
Говорячи про останній стан матерії в цьому списку, розгляньте стан, з якого все почалося: плазма кварка. У ранньому Всесвіті держава матері істотно відрізнялася від класичної держави. Трохи фон для початку.
Кварки є елементарними частинками, які ми знайдемо всередині хронів (наприклад, протонів і нейтронів). Hadrons складається з трьох кварків або одного кварка і одного антикварка. Кварки мають дробові збори і проводяться разом з глюонами, які є обмінними частинками сильної ядерної сили.
Ми не бачимо вільних кварків в природі, але прямо після Великого Bangа, вільні кварки і глюкони існували для мілісекундів. У цей час температура Всесвіту була настільки високою, що кварки і глюкони перенесли практично на швидкості світла. У цей період всесвіт повністю складався з цієї спекотної кваркової плазми. Після чергової дроби другого Всесвіту досить охолоджується, щоб утворювати важкі частинки, такі як хрони, а кварки почали взаємодіяти один з одним і глусонами. З тих пір, як почалося утворення відомого Всесвіту, а легони почали зв'язуватися з електронами, створюючи примітивні атоми.
Вже в сучасному всесвіті вчені спробували відтворити плазму кварку-глюону у великих прискорювачах частинок. У цих експериментах великогабаритні частинки, такі як хрони, з'єднані між собою, створюючи температуру, при якій кварки відокремлюють протягом короткого часу. У ході цих експериментів ми дізналися багато про властивості кварковко-глюонової плазми, яка була абсолютно безкоштовною тертя і була більш як рідина, ніж звичайна плазма. Експерименти з екзотичним станом матері дозволяють нам дізнатися багато про те, як і чому наш Всесвіт був сформований як ми знаємо.
П.С. І пам'ятайте, що лише змінивши вашу свідомість – разом ми змінюємо світ!
Джерело: hi-news.ru
Але з часом вчені розширили перелік можливих станів, що знаходяться за межами цих чотирьох. У процесі ми дізналися багато про Великий Bang, світильники, і секретний стан матерії, прихованої в скромній курці.
Аморфний і твердий
Аморфні тверді речовини є досить цікавим підгрупою відомого твердого стану. У нормальному твердому об'єкті молекули добре організовані і не мають багато місця для переміщення. Це дає тверду високу в'язкість, яка є виміром стійкості рідини. Рідини, з іншого боку, мають неорганізовану молекулярну структуру, яка дозволяє їм витікати, викласти, змінити форму і взяти форму посуду, в якій вони знайдені. Аморфні тверді речовини десь між цими двома державами. У процесі вітрифікації рідини охолоджують вниз і їх в'язкість підвищується до тих пір, поки речовина більше не тече, як рідина, але її молекули залишаються порушеннями і не приймають на кристалічній структурі, як звичайні тверді речовини.
Найпоширеніший приклад аморфного твердого скла. На тисячу років люди склали з кремнію. Коли склокери охолоджуються кремнеземом з рідкого стану, він не вірно твердить, коли він падає нижче точки плавлення. При перепадах температури підвищується в'язкість, речовина здається важче. Тим не менш, її молекули залишаються порушеннями. А потім скло стає аморфним і твердим одночасно. Цей перехідний процес дозволило майстрам створювати красиві та злиті скляні конструкції.
Що таке функціональна різниця між аморфними твердими речовинами та звичайними твердими речовинами? У повсякденному житті не дуже помітно. Стекло з'являється ідеально твердим до тих пір, поки ви вивчаєте його на молекулярному рівні. І міф, що скляні стоки з часом не варто зламаних копій. Найчастіше цей міф підтримується аргументами, що старе скло в церквах здається більш товстим, але це пов'язано з імперфікацією процесу склініння в момент створення цих склянок. Однак дослідження аморфних твердих тіл, як скло цікавий з наукової точки зору для вивчення фазових переходів та молекулярної структури.
Суперкритичні рідини
Більшість фазових переходів відбуваються при певній температурі і тиску. Ці знання, що виникають температури, в кінцевому підсумку перетворюються рідини в гази. Однак, коли тиск підвищується при температурі, рідина стрибає в царство надкритих рідин, які мають властивості як газу, так і рідини. Наприклад, суперкритичні рідини можуть проходити через тверді речовини як газ, але також можуть виступати як розчинник, як рідина. Цікаво, що надкритична рідина може бути виготовлена більш як газ або рідина, в залежності від комбінації тиску і температури. Це дозволило науковцям знайти безліч додатків для надкритих рідин.
Хоча суперкритичні рідини не так часто зустрічаються як аморфні тверді речовини, ви, ймовірно, взаємодіяти з ними, як часто, як ви робите зі склом. Суперкритичний вуглекислий газ любий пивоварами для його здатності діяти як розчинник при взаємодії з хмелями, так і кавовими компаніями, які використовують його для виробництва найкращої дефеїнованої кави. Для більш ефективного гідролізу і для електростанцій, які працюють при високих температурах. В цілому, ви, ймовірно, використовуєте побічні продукти поверхневих рідин щодня.
Дегенерат газу
Незважаючи на те, що аморфні тверді речовини не знайдені на планеті Земля, дегенераційна речовина міститься тільки в певних типах зірок. Дегенераційний газ існує при зовнішньому тиску речовини визначається не температурою, як на Землі, але за складними квантовими принципами, зокрема принципом Pauli. Через це зовнішній тиск дегенеративної речовини буде стійкий навіть якщо температура речовини припадає до абсолютного нуля. Є два основних типи дегенераційної речовини: електрон-дегенерат і неутронно-дегенератна речовина.
Електронно-дегенераційна речовина існує в основному в білих карликах. Утворюється в серці зірки, коли маса матерії навколо ядра намагається компресувати електрони ядра до нижнього енергетичного стану. Відповідно до принципу Павла, дві ідентичні частинки не можуть бути в одному енергетичному стані. Таким чином, частинки залишають матерію навколо ядер, створюючи тиск. Це можливо тільки якщо зірка менше 1.44 разів маса Сонця. Коли зірка перевищила цей ліміт (відомий як обмеження Chandrasekhar), він просто згорнеться в нейтронний зір або чорний отвір.
Коли зірка згортається і стає нейтронною зіркою, вона більше не має електрон-дегенерату, вона складається з нейтронно-дегенеративної речовини. Оскільки нейтронна зірка важка, електрони зливаються з протонами в її ядрі, утворюючи нейтрони. Бездротові нейтрони (нейтрони, не зв'язані в атомному ядрі) мають півліття 10.3 хвилин. Але в серці нейтронної зірки маса зірки дозволяє нейтронам існувати зовні нуклеї, утворюючи нейтронно-дегенератну речовину.
Також існують і інші екзотичні форми дегенерату, в тому числі дивовижна матерія, яка може існувати в рідкісній формі зірок, які називаються кварковими зірками. Зірочки кварка - це етап між нейтронною зіркою і чорним отвором, де кварки в ядрі невилічені і утворюють суп вільних кварків. Ми ще не спостерігали цей тип зірки, але фізики, які припускають їх.
Протидія
р.Повернутися до Землі, щоб обговорити зайві дії. Суперфлюїдність - це стан матерії, що існує в певних ізотопах гелію, рубідію, і літію охолоджують до абсолютного нуля. Цей стан схожий на Bose-Einstein конденсат, з кількома відмінностями. Деякі BECs є надпотужними, і деякі поверхневі стани є BECs, але не всі ідентичні.
Рідкий гелій відомий своєю надмірністю. Коли гелій охолоджується до точки лямбда -270 градусів Цельсій, частина рідини стає зайвою. Якщо більшість речовин охолоджуються в певну точку, атракціон між атомами перевищує теплові коливання, що дозволяють їм сформувати тверду структуру. Але гелійські атоми взаємодіють настільки слабко, що вони можуть залишатися рідиною при температурі біля абсолютної нулі. Виходить, що при цій температурі характеристика окремих атомів перекриття, що призводять до виникнення дивних властивостей зайвості.
Суперфлюси не мають внутрішньої в'язкості. Суперфлюїди, розміщені в тестовій трубі, починають перекручувати сторони тестової труби, здавалося б, зволожуючи закони тяжіння і поверхневого натягу. Рідкий гелій легко витікає, так як він може ковзати навіть через мікроскопічні отвори. Superfluidity також має дивні термодинамічні властивості. У цьому стані речовини мають нульову термодинамічну ентропію і нескінченну теплопровідність. Це означає, що два суперфлюти не можуть бути теплово різними. Якщо додати тепло до поверхневого впливу, він проводить його так швидко, що теплові хвилі утворюються, що не типові для звичайних рідин.
Bose-Einstein конденсат
Конденсат Bose-Einstein, ймовірно, є одним з найвідоміших нездатних форм матерії. По-перше, нам необхідно зрозуміти, які босони і бродіння. Ферміон - це частинка з напівінтегральним хребтом (наприклад, електрон) або композитною частинкою (наприклад, протон). Ці частинки обіюють принцип Pauli, що дозволяє існування електрон-дегенеративної речовини. Босон, проте, має повне ціле хребта, і єдиний квантовий стан може зайняти кілька босонів. Босони включають в себе будь-які силові частинки (наприклад, фотон), а також деякі атоми, включаючи гелій-4 та інші гази. Елементи в цій категорії відомі як босонічні атоми.
У 1920-х роках Альберт Ейнштейн звернув на роботу індійського фізика Satiendra Nath Bose, щоб запропонувати нову форму матерії. Оригінальна теорія Ейнштейна була в тому, що якщо ви охолоджуєте певні елементарні гази до дробу над абсолютним нульовим, їх функції хвилі будуть об'єднані для створення одного «суператом». Така речовина буде експонувати квантові ефекти на макроскопічному рівні. Але не до 1990-х років технологія, яка необхідна для охолодження елементів до таких температур. У 1995 році вчені Eric Cornell і Carl Wieman змогли об'єднати 2,000 атомів в конденсат Bose-Einstein, який був досить великим, щоб побачити через мікроскоп.
Конденсати Bose-Einstein тісно пов'язані з поверхневими, але також мають власний набір унікальних властивостей. Смішні речі, які BEC можуть уповільнювати нормальну швидкість світла. У 1998 році Гарвардський вчений Lene Howe зміг уповільнити світло до 60 кілометрів на годину, пройшовши лазер через цикл-подібний зразок BEC. У пізніх експериментах група Howe досягла повного припинення світла в BEC шляхом відключення лазера як світло, що проходить через зразок. Ці експерименти відкрили нове поле спілкування на основі легких і квантових обчислень.
Ян-Теллер метали
Ян-Теллерські метали – нова дитина в світі державної матерії, оскільки вчені змогли успішно створити їх вперше тільки в 2015 році. Якщо підтверджено іншими лабораторіями, ці метали можуть змінити світ, оскільки вони мають властивості ізолятора і надпровідника.
Вчені під керівництвом хіміка Cosmas Prassides експериментували шляхом введення рубідію в структуру молекул вуглецевих-60 (в поширених людей, які відомі як повноерен), що призвело до того, що повноерен приймає нову форму. Цей метал названий після ефекту Jan-Teller, який описує, як тиск може змінити геометричну форму молекул в нових електронних конфігураціях. При хімії тиск досягається не тільки шляхом компресування чогось, але і шляхом додавання нових атомів або молекул до попередньо зростаючої структури, зміни основних властивостей.
Коли команда наукових досліджень Prassides почала додавати рубідію до молекул вуглецевих-60, вуглецеві молекули змінилися від ізоляторів до напівпровідників. Тим не менш, за рахунок Jan-Teller ефект, молекули намагалися залишитися в старій конфігурації, яка створила речовину, яка спробувала бути ізольованим, але мала електричні властивості надпровідника. Перехід між ізолятором і надпровідником ніколи не розглядався до початку цих експериментів.
Цікава річ про металобрухту Jan-Teller полягає в тому, що вони стають надпровідниками при високих температурах (-135 градусів Цельсієм, не на 243.2 градусів, як звичайно). Це приносить їм більш прийнятні рівні для масового виробництва та експериментування. Якщо підтверджено, ми можемо бути одним кроком ближче до побудови кімнатно-температурних надпровідників, які перетворять безліч площ нашого життя.
фотон
Протягом десятиліть фотони були подумані, щоб бути безмасштабними частинками, які не взаємодіють один з одним. Проте, за останні кілька років, MIT та Гарвардські вчені виявили нові шляхи до «кінцевого» світла з масою — і навіть створюють «легкі молекули», які виражають один одного і зв’язуються разом. Деякі вважають, що це перший крок до створення світильника.
Наука фотонної матерії трохи складна, але цілком можливо її ускладнити. Вчені розпочали створення фотоніки шляхом експериментування з надтвердим рубідним газом. Під час фотонних пагонів через газ, він відображає та взаємодіє з молекулами рубідію, втрати енергії та уповільнення. Адже фотон залишає хмару дуже повільно.
При переході двох фотонів через газ, що дає початок феномену, відомий як блорад Ридберг. При збудженні атома фотон, поблизу атомів не можна збуджуватися до того ж ступеня. Збуджена атом - в шляху фотон. Для атома поруч, щоб бути збуджена другим фотоном, спочатку фотон повинен пройти через газ. Фотон зазвичай не взаємодіє один з одним, але коли вони зустрічаються з блокадою Ридберга, вони виштовхують один одного через газ, змінюючи енергію і взаємодіють один з одним. Ззовні, здається, що фотони мають масу і діють як єдине молекулу, хоча вони фактично безмасштабні. Коли фотони виходять з газу, вони з'являються разом, як молекула світла.
Практичне застосування фотонної матерії залишається питання, але воно неодмінно знайдеться. Може бути навіть в світильниках.
Незамовленість
Намагаючись визначити, чи є речовина в новому стані, вчені дивляться на структуру речовини, а також її властивості. У 2003 році Саватор Торуто і Франк Натюрморт Принцтонського університету запропонували новий стан матері, відомого як порушення супермогенності. Хоча ця фраза виглядає як оксиморон, на її ядрі вона пропонує новий тип речовини, яка, здається, порушений на більш детальний огляд, але надоднорідний і структурований з афарю. Така речовина повинна мати властивості кристала і рідини. На перший погляд, це вже існує в плазмі і рідкому водні, але нещодавно вчені виявили природний приклад, де ніхто не очікував: в курячому оці.
Курки мають п'ять конусів у їх сітківці. Чотири виявляти колір і відповідальність за рівні світла. Однак, на відміну від очей людини або шестигранних очей комах, ці коні розсіюються випадково, не мають реального порядку. Це тому, що конуси в оці курки мають зони відчуження навколо них, які запобігають двома конусами однакового типу з бокового боку. Через зону відчуження і форму конусів вони не можуть формувати замовні кристалічні конструкції (як у твердих речовинах), але коли всі коні обробляються як один, вони з'являються, щоб мати дуже замовлений візерунок, як показано на зображеннях нижче. Так ми можемо описати ці конуси в сітці ока курки як рідина на більш детальному огляді і як твердий при перегляді з афарю. Це відрізняється від аморфних твердих речовин, які ми обговорювали вище, оскільки цей надоднорідний матеріал буде діяти як рідина, при цьому аморфний твердий не буде.
Вчені все ще розслідують цей новий стан матерії, оскільки він може бути більш поширеним, ніж спочатку думав. Зараз вчені Принцтонського університету намагаються адаптувати такі ультраоднорідні матеріали для створення самоорганізуючих структур і світлових детекторів, які відповідають світлом з певною довжиною хвилі.
Струнні сітки
Який стан речовини є космічним вакуумом? Більшість людей не думають про це, але в останні десять років, Xiao Gang-wen MIT і Майкл Левін Гарвардського запропонував новий стан матерії, що може призвести до виявлення фундаментальних частинок після електрону.
У середині 90-х років група вчених запропонувала так звані квазічастинки, які з'явилися в експерименті, коли електрони пройшли між двома напівпровідниками. У квазічастинках діяли, якби вони мали дробову заряду, яка здавалося б неможливе для фізики в часі. Вчені проаналізували дані і запропонували, що електрон не є фундаментальною частинкою Всесвіту і що є фундаментальні частинки, які ми ще не виявили. Ця робота виграла їх Нобелівською премією, але пізніше вона виявилася, що помилка в експерименті перевернулася до результатів їх роботи. Добро забути.
Але не всі. Мин і Левін взяли ідею квазічастин як основи і запропонували новий стан матерії, рядок-мережі. Основною властивістю цієї держави є квантова заплутаність. Як при порушеній надчутливості, якщо ви подивитеся на матеріал стрункої роботи, він буде виглядати як розладний набір електронів. Але якщо ви подивитеся на неї в цілому структурі, ви побачите високий порядок через квантово-плутані властивості електронів. Сон і Левін потім розширили свою роботу, щоб обходити інші частинки і властивості заплутаності.
Після роботи через комп'ютерні моделі для нового стану матерії, Wen і Levin виявили, що кінці струнних мереж можуть виробляти різні субатомічні частинки, включаючи легендарні «квазічастинки». Ще більш дивно було те, що коли вібрати стрункого матеріалу, це так відповідно до рівнянь Maxwell для світла. Мин і Левін запропонували, що космос наповнений струнними мережами заплутаних субатомних частинок і що кінці цих струнних мереж є субатомними частинками, які ми спостерігаємо. Вони також гіпотези, що струнка-мережа може підтримувати існування світла. Якщо космічний вакуум заповнюється стрункою мережею, це може дозволити нам поєднувати світло і матерію.
Все це може здатися далеко неочищеним, але в 1972 році (декади перед пропозиціями струнких мереж) геологи виявили дивний матеріал в Чилі - гербертайміт. В цьому мінералі електрони утворюють трикутні конструкції, які, здавалося,, суперечать всім, що ми знаємо про електрони, взаємодіючи один з одним. Крім того, ця трикутна структура була пророкована в складі стрункої моделі, і вчені працювали з штучним гербермітом для підтвердження моделі точно.
Quark-глюон плазма
Говорячи про останній стан матерії в цьому списку, розгляньте стан, з якого все почалося: плазма кварка. У ранньому Всесвіті держава матері істотно відрізнялася від класичної держави. Трохи фон для початку.
Кварки є елементарними частинками, які ми знайдемо всередині хронів (наприклад, протонів і нейтронів). Hadrons складається з трьох кварків або одного кварка і одного антикварка. Кварки мають дробові збори і проводяться разом з глюонами, які є обмінними частинками сильної ядерної сили.
Ми не бачимо вільних кварків в природі, але прямо після Великого Bangа, вільні кварки і глюкони існували для мілісекундів. У цей час температура Всесвіту була настільки високою, що кварки і глюкони перенесли практично на швидкості світла. У цей період всесвіт повністю складався з цієї спекотної кваркової плазми. Після чергової дроби другого Всесвіту досить охолоджується, щоб утворювати важкі частинки, такі як хрони, а кварки почали взаємодіяти один з одним і глусонами. З тих пір, як почалося утворення відомого Всесвіту, а легони почали зв'язуватися з електронами, створюючи примітивні атоми.
Вже в сучасному всесвіті вчені спробували відтворити плазму кварку-глюону у великих прискорювачах частинок. У цих експериментах великогабаритні частинки, такі як хрони, з'єднані між собою, створюючи температуру, при якій кварки відокремлюють протягом короткого часу. У ході цих експериментів ми дізналися багато про властивості кварковко-глюонової плазми, яка була абсолютно безкоштовною тертя і була більш як рідина, ніж звичайна плазма. Експерименти з екзотичним станом матері дозволяють нам дізнатися багато про те, як і чому наш Всесвіт був сформований як ми знаємо.
П.С. І пам'ятайте, що лише змінивши вашу свідомість – разом ми змінюємо світ!
Джерело: hi-news.ru