Connaîtrons-nous un jour tous les états de la matière ? Au lieu de trois, cinq cents
L'année dernière, les médias ont diffusé des informations selon lesquelles "une forme de matière est apparue", qui pourrait être qualifiée de super dure ou, par exemple, plus pratique, bien que moins polonaise, super dure. Issu des laboratoires de scientifiques du Massachusetts Institute of Technology, c'est une sorte de contradiction qui combine les propriétés des solides et des superfluides - c'est-à-dire liquides à viscosité nulle.
Les physiciens ont déjà prédit l'existence d'un surnageant, mais jusqu'à présent rien de similaire n'a été trouvé en laboratoire. Les résultats de l'étude menée par des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont été publiés dans la revue Nature.
"Une substance qui combine superfluidité et propriétés solides défie le bon sens", a écrit le chef d'équipe Wolfgang Ketterle, professeur de physique au MIT et lauréat du prix Nobel 2001, dans l'article.
Pour donner un sens à cette forme contradictoire de matière, l'équipe de Ketterle a manipulé le mouvement des atomes dans un état supersolide dans une autre forme particulière de matière appelée condensat de Bose-Einstein (BEC). Ketterle est l'un des découvreurs du BEC, qui lui a valu le prix Nobel de physique.
"Le défi était d'ajouter quelque chose au condensat qui le ferait évoluer vers une forme en dehors du 'piège atomique' et acquérir les caractéristiques d'un solide", a expliqué Ketterle.
L'équipe de recherche a utilisé des faisceaux laser dans une chambre à ultra-vide pour contrôler le mouvement des atomes dans le condensat. L'ensemble original de lasers a été utilisé pour transformer la moitié des atomes BEC en un spin différent ou une phase quantique. Ainsi, deux types de BEC ont été créés. Le transfert d'atomes entre deux condensats à l'aide de faisceaux laser supplémentaires a provoqué des changements de spin.
"Des lasers supplémentaires ont fourni aux atomes une énergie supplémentaire pour le couplage spin-orbite", a déclaré Ketterle. La substance résultante, selon la prédiction des physiciens, aurait dû être "super dure", car les condensats avec des atomes conjugués dans une orbite de spin seraient caractérisés par une "modulation de densité" spontanée. En d'autres termes, la densité de la matière cesserait d'être constante. Au lieu de cela, il aura un modèle de phase similaire à un solide cristallin.
Des recherches plus poussées sur les matériaux superdurs pourraient conduire à une meilleure compréhension des propriétés des superfluides et des supraconducteurs, qui seront essentielles pour un transfert d'énergie efficace. Les superhards peuvent également être la clé pour développer de meilleurs aimants et capteurs supraconducteurs.
Pas des états d'agrégation, mais des phases
L'état super dur est-il une substance ? La réponse donnée par la physique moderne n'est pas si simple. Nous nous souvenons de l'école que l'état physique de la matière est la forme principale sous laquelle se trouve la substance et détermine ses propriétés physiques de base. Les propriétés d'une substance sont déterminées par l'arrangement et le comportement de ses molécules constitutives. La division traditionnelle des états de la matière au XVIIe siècle distingue trois de ces états : solide (solide), liquide (liquide) et gazeux (gaz).
Cependant, à l'heure actuelle, la phase de la matière semble être une définition plus précise des formes d'existence de la matière. Les propriétés des corps dans des états individuels dépendent de l'arrangement des molécules (ou atomes) dont ces corps sont composés. De ce point de vue, l'ancienne division en états d'agrégation n'est vraie que pour certaines substances, puisque la recherche scientifique a montré que ce qui était auparavant considéré comme un seul état d'agrégation peut en fait être divisé en plusieurs phases d'une substance de nature différente. configuration des particules. Il existe même des situations où les molécules d'un même corps peuvent être disposées différemment en même temps.
De plus, il s'est avéré que les états solide et liquide peuvent être réalisés de différentes manières. Le nombre de phases de la matière dans le système et le nombre de variables intensives (par exemple, la pression, la température) qui peuvent être modifiées sans changement qualitatif dans le système sont décrits par le principe de phase de Gibbs.
Un changement de phase d'une substance peut nécessiter l'apport ou la réception d'énergie - alors la quantité d'énergie sortante sera proportionnelle à la masse de la substance qui change de phase. Cependant, certaines transitions de phase se produisent sans entrée ni sortie d'énergie. Nous tirons une conclusion sur le changement de phase sur la base d'un changement progressif de certaines quantités qui décrivent ce corps.
Dans la classification la plus complète publiée à ce jour, il y a environ cinq cents États agrégés. De nombreuses substances, en particulier celles qui sont des mélanges de différents composés chimiques, peuvent exister simultanément en deux phases ou plus.
La physique moderne accepte généralement deux phases - liquide et solide, la phase gazeuse étant l'un des cas de la phase liquide. Ces derniers comprennent divers types de plasma, la phase de supercourant déjà mentionnée et un certain nombre d'autres états de la matière. Les phases solides sont représentées par diverses formes cristallines, ainsi qu'une forme amorphe.
Zawiya topologique
Les rapports sur de nouveaux "états agrégés" ou des phases de matériaux difficiles à définir ont été un répertoire constant des nouvelles scientifiques ces dernières années. Dans le même temps, il n'est pas toujours facile d'attribuer de nouvelles découvertes à l'une des catégories. La substance supersolide décrite précédemment est probablement une phase solide, mais peut-être que les physiciens ont une opinion différente. Il y a quelques années dans un laboratoire universitaire
Au Colorado, par exemple, une gouttelette a été créée à partir de particules d'arséniure de gallium - quelque chose de liquide, quelque chose de solide. En 2015, une équipe internationale de scientifiques dirigée par le chimiste Cosmas Prasides de l'Université de Tohoku au Japon a annoncé la découverte d'un nouvel état de la matière qui combine les propriétés d'un isolant, d'un supraconducteur, d'un métal et d'un aimant, l'appelant le métal Jahn-Teller.
Il existe également des états agrégés "hybrides" atypiques. Par exemple, le verre n'a pas de structure cristalline et est donc parfois classé comme un liquide "surfondu". En outre - cristaux liquides utilisés dans certains écrans ; mastic - polymère de silicone, plastique, élastique ou même cassant, selon le taux de déformation; liquide super collant et auto-coulant (une fois commencé, le débordement se poursuivra jusqu'à ce que la réserve de liquide dans le verre supérieur soit épuisée); Le nitinol, un alliage à mémoire de forme nickel-titane, se redresse dans l'air chaud ou dans un liquide lorsqu'il est plié.
La classification devient de plus en plus complexe. Les technologies modernes effacent les frontières entre les états de la matière. De nouvelles découvertes sont en cours. Les lauréats du prix Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane et J. Michael Kosterlitz - ont relié deux mondes : la matière, qui relève de la physique, et la topologie, qui est une branche des mathématiques. Ils ont réalisé qu'il existe des transitions de phase non traditionnelles associées à des défauts topologiques et des phases non traditionnelles de la matière - des phases topologiques. Cela a conduit à une avalanche de travaux expérimentaux et théoriques. Cette avalanche coule toujours à un rythme très rapide.
Certaines personnes voient à nouveau les matériaux XNUMXD comme un nouvel état unique de la matière. On connaît ce type de nanoréseau - phosphate, stanène, borophène, ou enfin le populaire graphène - depuis de nombreuses années. Les lauréats du prix Nobel précités se sont notamment impliqués dans l'analyse topologique de ces matériaux monocouches.
La science démodée des états de la matière et des phases de la matière semble avoir parcouru un long chemin. Bien au-delà de ce que l'on peut encore retenir des cours de physique.
