Je, tutawahi kujua hali zote za jambo? Badala ya tatu, mia tano
Mwaka jana, vyombo vya habari vilieneza habari kwamba "aina ya jambo imetokea," ambayo inaweza kuitwa ngumu zaidi au, kwa mfano, rahisi zaidi, ingawa Kipolandi kidogo, ngumu zaidi. Kuja kutoka kwa maabara ya wanasayansi katika Taasisi ya Teknolojia ya Massachusetts, ni aina ya kupinga ambayo inachanganya mali ya solids na superfluids - i.e. vinywaji vyenye mnato wa sifuri.
Wanafizikia hapo awali walitabiri kuwepo kwa supernatant, lakini hadi sasa hakuna kitu kama hicho kilichopatikana katika maabara. Matokeo ya utafiti wa wanasayansi katika Taasisi ya Teknolojia ya Massachusetts yalichapishwa katika jarida la Nature.
"Dutu inayochanganya wingi wa maji na mali dhabiti inapingana na akili ya kawaida," kiongozi wa timu Wolfgang Ketterle, profesa wa fizikia huko MIT na mshindi wa Tuzo ya Nobel ya 2001, aliandika kwenye karatasi.
Ili kuleta maana ya aina hii kinzani ya maada, timu ya Ketterle ilidhibiti mwendo wa atomi katika hali ya uimara katika hali nyingine ya kipekee ya dutu inayoitwa Bose-Einstein condensate (BEC). Ketterle ni mmoja wa wagunduzi wa BEC, ambayo ilimletea Tuzo la Nobel katika Fizikia.
"Changamoto ilikuwa ni kuongeza kitu kwenye ufupisho ambacho kingesababisha kubadilika kuwa umbo nje ya 'mtego wa atomiki' na kupata sifa za kitu kigumu," Ketterle alielezea.
Timu ya watafiti ilitumia miale ya leza kwenye chemba ya utupu ya hali ya juu zaidi ili kudhibiti msogeo wa atomi kwenye condensate. Seti asili ya leza zilitumika kubadilisha nusu ya atomi za BEC kuwa mzunguuko tofauti au awamu ya quantum. Kwa hivyo, aina mbili za BEC ziliundwa. Uhamisho wa atomi kati ya condensates mbili kwa msaada wa mihimili ya ziada ya laser ilisababisha mabadiliko ya spin.
"Laser za ziada zilitoa atomi na nyongeza ya nishati kwa uunganisho wa mzunguko wa mzunguko," Ketterle alisema. Dutu inayotokana, kulingana na utabiri wa wanafizikia, inapaswa kuwa "nguvu zaidi", kwani miunganisho yenye atomi zilizounganishwa kwenye obiti ya mzunguko ingebainishwa na "urekebishaji wa msongamano" wa hiari. Kwa maneno mengine, msongamano wa maada utaacha kuwa thabiti. Badala yake, itakuwa na muundo wa awamu sawa na imara ya fuwele.
Utafiti zaidi juu ya nyenzo ngumu zaidi inaweza kusababisha ufahamu bora wa mali ya superfluids na superconductors, ambayo itakuwa muhimu kwa uhamishaji bora wa nishati. Superhards pia inaweza kuwa ufunguo wa kutengeneza sumaku na vihisi bora zaidi vya upitishaji umeme.
Sio majimbo ya kujumlisha, lakini awamu
Je, hali ngumu zaidi ni dutu? Jibu lililotolewa na fizikia ya kisasa sio rahisi sana. Tunakumbuka kutoka shuleni kwamba hali ya kimwili ya suala ni fomu kuu ambayo dutu iko na huamua mali yake ya msingi ya kimwili. Sifa za dutu huamuliwa na mpangilio na tabia ya molekuli zake zinazounda. Mgawanyiko wa jadi wa majimbo ya suala la karne ya XNUMX hutofautisha majimbo matatu kama haya: imara (imara), kioevu (kioevu) na gesi (gesi).
Hata hivyo, kwa sasa, awamu ya jambo inaonekana kuwa ufafanuzi sahihi zaidi wa aina za kuwepo kwa jambo. Sifa za miili katika majimbo ya mtu binafsi hutegemea mpangilio wa molekuli (au atomi) ambazo miili hii imeundwa. Kwa mtazamo huu, mgawanyiko wa zamani katika majimbo ya mkusanyiko ni kweli tu kwa vitu vingine, kwani utafiti wa kisayansi umeonyesha kuwa kile kilichozingatiwa hapo awali kuwa hali moja ya mkusanyiko kinaweza kugawanywa katika awamu nyingi za dutu ambayo hutofautiana katika maumbile. usanidi wa chembe. Kuna hata hali wakati molekuli katika mwili mmoja zinaweza kupangwa tofauti kwa wakati mmoja.
Aidha, ikawa kwamba majimbo imara na kioevu yanaweza kupatikana kwa njia mbalimbali. Idadi ya awamu za suala katika mfumo na idadi ya vigezo vikali (kwa mfano, shinikizo, joto) vinavyoweza kubadilishwa bila mabadiliko ya ubora katika mfumo huelezwa na kanuni ya awamu ya Gibbs.
Mabadiliko katika awamu ya dutu yanaweza kuhitaji ugavi au upokeaji wa nishati - basi kiasi cha nishati inayotoka itakuwa sawia na wingi wa dutu inayobadilisha awamu. Hata hivyo, baadhi ya mabadiliko ya awamu hutokea bila pembejeo ya nishati au pato. Tunatoa hitimisho kuhusu mabadiliko ya awamu kwa misingi ya mabadiliko ya hatua katika baadhi ya kiasi ambacho kinaelezea mwili huu.
Katika uainishaji wa kina zaidi uliochapishwa hadi sasa, kuna takriban majimbo mia tano ya jumla. Dutu nyingi, hasa zile ambazo ni mchanganyiko wa misombo tofauti ya kemikali, zinaweza kuwepo kwa wakati mmoja katika awamu mbili au zaidi.
Fizikia ya kisasa kawaida hukubali awamu mbili - kioevu na imara, na awamu ya gesi kuwa moja ya matukio ya awamu ya kioevu. Mwisho ni pamoja na aina mbalimbali za plasma, awamu ya supercurrent iliyotajwa tayari, na idadi ya majimbo mengine ya suala. Awamu imara zinawakilishwa na aina mbalimbali za fuwele, pamoja na fomu ya amorphous.
Topological zawiya
Ripoti za "jumla ya majimbo" au awamu ngumu-kufafanua za nyenzo zimekuwa msururu wa mara kwa mara wa habari za kisayansi katika miaka ya hivi karibuni. Wakati huo huo, kupeana uvumbuzi mpya kwa moja ya kategoria sio rahisi kila wakati. Dutu ya supersolid iliyoelezwa hapo awali labda ni awamu imara, lakini labda wanafizikia wana maoni tofauti. Miaka michache iliyopita katika maabara ya chuo kikuu
Huko Colorado, kwa mfano, dropleton iliundwa kutoka kwa chembe za gallium arsenide - kitu kioevu, kitu kigumu. Mnamo mwaka wa 2015, timu ya kimataifa ya wanasayansi ikiongozwa na mwanakemia Cosmas Prasides katika Chuo Kikuu cha Tohoku nchini Japani ilitangaza ugunduzi wa hali mpya ya suala ambayo inachanganya sifa za insulator, superconductor, chuma, na sumaku, na kuiita chuma cha Jahn-Teller.
Pia kuna majimbo ya jumla ya "mseto" yasiyo ya kawaida. Kwa mfano, glasi haina muundo wa fuwele na kwa hivyo wakati mwingine huainishwa kama kioevu "kilichopozwa kupita kiasi". Zaidi - fuwele za kioevu zinazotumiwa katika maonyesho fulani; putty - silicone polymer, plastiki, elastic au hata brittle, kulingana na kiwango cha deformation; super-nata, kioevu-kioevu (mara tu kuanza, kufurika itaendelea mpaka ugavi wa kioevu katika kioo juu ni nimechoka); Nitinol, aloi ya kumbukumbu ya umbo la nikeli-titani, itanyooka kwenye hewa yenye joto au kimiminiko inapopinda.
Uainishaji unakuwa ngumu zaidi na zaidi. Teknolojia za kisasa zinafuta mipaka kati ya majimbo ya jambo. Ugunduzi mpya unafanywa. Washindi wa Tuzo la Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane na J. Michael Kosterlitz - waliunganisha ulimwengu mbili: jambo, ambalo ni somo la fizikia, na topolojia, ambayo ni tawi la hisabati. Waligundua kuwa kuna mabadiliko ya awamu yasiyo ya kitamaduni yanayohusiana na kasoro za kitolojia na awamu zisizo za kitamaduni za maada - awamu za kitolojia. Hii ilisababisha kuporomoka kwa kazi ya majaribio na ya kinadharia. Banguko hili bado linatiririka kwa mwendo wa kasi sana.
Baadhi ya watu wanaona tena nyenzo za XNUMXD kama hali mpya na ya kipekee ya mada. Tumejua aina hii ya nanonetwork - phosphate, stanene, borophene, au, hatimaye, graphene maarufu - kwa miaka mingi. Washindi waliotajwa hapo juu wa Tuzo la Nobel wamehusika, haswa, katika uchanganuzi wa kitolojia wa nyenzo hizi za safu moja.
Sayansi ya kizamani ya hali ya maada na awamu za maada inaonekana kuwa imekuja kwa muda mrefu. Mbali zaidi ya kile ambacho bado tunaweza kukumbuka kutoka kwa masomo ya fizikia.
