10 uvanlige tilstander

De fleste kan enkelt nevne de tre klassiske saken tilstandene av væske, solid og gass. De som tok noen flere vitenskapskurs vil legge til plasma i den listen. Men gjennom årene har forskere utvidet vår liste over mulige saksforhold langt utover de store fire. I prosessen har vi lært mye om Big Bang, lightsabers, og en hemmelig tilstand av materiell gjemmer seg i den ydmyke kyllingen.

10Amorfe faste stoffer

Amorfe faste stoffer er en spennende undergruppe av den kjente faste tilstand. I et normalt fast objekt er molekylene svært organisert og kan ikke bevege seg veldig fritt. Dette gir solid materiale høy viskositet, som er et mål for strømningsmotstand. Væsker har derimot en uorganisert molekylær struktur som tillater dem å flyte forbi hverandre, plaske rundt og ta form av beholderen de holdes i. Et amorft fast stoff eksisterer halvveis mellom disse to tilstandene. I en prosess som kalles forgassing, øker væsken og dens viskositet til det punktet at den ikke lenger strømmer som en væske, men dens molekyler forblir uordnet og danner ikke en krystallisert struktur som et normalt fast stoff.

Det vanligste eksemplet på et amorft faststoff er glass. I tusenvis av år har folk laget glass ved hjelp av silisiumdioksyd. Når glassmakere avkjøler silisiumdioksydet fra flytende tilstand, stivner det faktisk ikke når det passerer under smeltepunktet. Da temperaturen fortsetter å synke, øker viskositeten, noe som gjør det til å virke solid. Imidlertid opprettholder molekylene fortsatt sin uorganiserte struktur. På dette tidspunktet blir glass et amorft faststoff. Denne overgangsprosessen har gjort det mulig for håndverkere å skape vakre og surrealistiske glassskulpturer.

Så hva er den funksjonelle forskjellen mellom et amorft faststoff og et normalt faststoff? I hverdagen, ikke mye. Glass virker helt solid til du ser på det på molekylært nivå. Og ikke bli tatt inn av myten at glass flyter som væske over lange perioder. Lazy tour guides liker å forfølge denne myten ved å vise gammelt glass i kirker, som ofte ser tykkere mot bunnen, men det er faktisk på grunn av mangler i glassprosessen som resulterer i ujevnt glass, som naturlig ble plassert i vinduet med tykkere siden på bunnen. Imidlertid, mens det ikke kan være veldig spennende å se på, har studier forsket ny innsikt i faseoverganger og molekylær struktur ved å studere amorfe faste stoffer som glass.

9Superkritiske væsker

De fleste faseoverganger forekommer under visse temperatur- og trykkparametere. Alle vet at en økning i temperaturen til slutt vil snu en væske inn i en gass. Men når presset økes sammen med temperaturen, gjør væsken i stedet hoppet i riket av superkritiske væsker, som har egenskapene til både en gass og en væske.

For eksempel er superkritiske væsker i stand til å passere gjennom faste stoffer som en gass, men kan også fungere som et løsningsmiddel som en væske. Interessant nok kan et superkritisk fluid finjusteres for å være mer gasslignende eller mer flytende, avhengig av kombinasjon av trykk og temperatur. Dette har gjort det mulig for forskere å komme opp med en rekke applikasjoner for superkritiske væsker, alt fra ekstrem til dagligdagse.

Mens superkritiske væsker ikke er like vanlige som amorfe faste stoffer, slutter du sannsynligvis at de samhandler med dem nesten like ofte som du interagerer med glass. Superkritisk karbondioksid har fått fordel med bryggerier for evne til å fungere som løsningsmiddel i hoputvinning, mens kaffeselskaper bruker det til å produsere bedre koffeinfri kaffe. Superkritiske væsker har også blitt brukt til å skape mer effektiv hydrolyse og å tillate kraftverk å kjøre ved høyere temperaturer. For en tilstand av materiell ingen har hørt om, bruker du sannsynligvis biprodukter av superkritiske væsker hver eneste dag.

8Degenerate Matter

Mens amorfe faste stoffer i hvert fall forekommer på planeten, eksisterer degenerert materie bare innenfor bestemte typer stjerner. Degenerat materie eksisterer når det utadrettede trykket i saken ikke dikteres av temperatur, som på jorden, men ved komplekse kvantprinsipper, vanligvis Pauli-ekskluderingsprinsippet (mer om det i et øyeblikk). På grunn av dette ville det utadrettede trykk av degenerert materiale fortsette, selv om temperaturen i saken droppet til absolutt null. De to hovedtyper av degenerert materiale er kjent som elektron-degenerert materiale og nøytrondegenerert materiale.

Elektron-degenerert materiale forekommer hovedsakelig i hvite dvergstjerner. Saken danner i kjernen av stjernen, når vekten av saken rundt kjernen forsøker å komprimere kjernens elektroner til lavest energistatus. Imidlertid, ifølge Pauli-ekskluderingsprinsippet, kan ikke to slike partikler okkupere samme energitilstand. Dermed spres partiklene tilbake på materialet rundt kjernen, og skaper et utadrykk på grunn av kvantelovene som dikterer at alle elektronene i kjernen ikke kan eksistere ved lavest energistatus. Dette kan bare vedvare hvis stjernens masse er mindre enn 1,44 ganger solens masse. Når en stjerne er over denne grensen (kjent som Chandrasekhar-grensen), vil den bare kollapse til en nøytronstjerne eller et svart hull.

Når en stjerne kollapser for å bli en neutronstjerne, har den ikke lenger elektron-degenerert materiale, men består nå av nøytrondegenerert materiale. Fordi en nøytronstjerne er så tung, får det elektronene til å smelte sammen med protonene i kjernen, og skaper nøytroner. Fri nøytron (nøytroner ikke bundet i en atomkjerne) har vanligvis en halveringstid på 10,3 minutter. Men i kjernen til en nøytronstjerne lar stjernens masse nøytroner eksistere utenfor en kjerne, som danner nøytron-degenerert materiale.

Andre eksotiske former for degenerert materiale kan eksistere, inkludert merkelig materie, som kan eksistere i en sjelden stjerneform som kalles en kvarkstjerne. Quarkstjerner er scenen mellom en nøytronstjerne og et svart hull, hvor kvarkene i kjernen løses og skaper en suppe med frie kvarker. Vi har ennå ikke observert denne typen stjerne, men fysikere fortsetter å teorisere deres eksistens.

7Superfluid

La oss gå tilbake til jorden for å diskutere overflødig. En superfluid er en tilstand av materie som eksisterer når visse isotoper av helium, rubidium og litium avkjøles til nesten absolutt null. Dette ligner på et Bose-Einstein kondensat (BEC), men det er små forskjeller. Noen Bose-Einstein kondensater er superfluider og noen superfluider er Bose-Einstein kondensater, men ikke alle klasser passer inn i den andre.

Den vanligste superfluid er flytende helium. Når helium avkjøles til "lambda-punktet" på 2,17 grader Kelvin, blir en del av væsken superfluid. Når de fleste stoffer blir avkjølt til et bestemt punkt, vil tiltrekningen mellom atomer overvinne varme vibrasjoner i stoffet, slik at stoffet kan danne en solid struktur. Men heliumatomer samhandler med hverandre så svakt at det kan være en væske opp til absolutt null. Faktisk, ved den temperaturen overlapper egenskapene til de enkelte atomene, noe som skaper de underlige egenskapene til superfluider.

For det første har en overflødig ikke intern viskositet. Superfluider plassert i et reagensrør vil begynne å krype opp sidene av røret, tilsynelatende bryte tyngdekraften og overflatespenningen. Væske helium lekker veldig lett fordi det kan lekke gjennom ethvert mikroskopisk hull. Superfluider viser også merkelige termodynamiske egenskaper. De har null termodynamisk entropi og er uendelig termisk ledende. Dette betyr at to superfluider ikke kan ha en termisk differensial. Hvis varme blir introdusert til en superfluid, vil det utføre så raskt at termiske bølger blir opprettet, en egenskap som ikke eksisterer for normale væsker.

6Bose-Einstein kondensat

Bose-Einstein-kondensatene er trolig en av de mest kjente obskure former av materie, men også en av de vanskeligste å forstå. Først må vi forstå hva bosoner og fermioner er. En fermion er en partikkel med et halvtallers spin (som en elektron) eller en komposittpartikkel (som en proton). Disse partiklene adlyder Pauli-ekskluderingsprinsippet som gjør elektron-degenerert materie arbeid. En boson har imidlertid et helt heltalspinne og flere bosoner kan okkupere samme kvante tilstand. Bosoner inkluderer noen kraftbærende partikkel (som fotoner) samt noen atomer, inkludert vår venn helium-4 og andre gasser. Elementer i denne kategorien er kjent som bosoniske atomer.

På 1920-tallet brukte Albert Einstein arbeidet til den indiske fysikeren Satyendra Nath Bose til å foreslå en ny form for materie. Einsteins opprinnelige teori var at du avkjølte visse elementale gasser til en brøkdel av en kelvin over absolutt null, deres bølgefunksjoner ville samle seg for å skape en "superatom". Et slikt stoff ville vise kvanteffekter på makroskopisk nivå. Men det var ikke før 1990-tallet at teknologien eksisterte til tilstrekkelig avkjøle elementer til ønsket temperatur. I 1995 undersøkte Eric Cornell og Carl Wieman å samle 2000 atomer i et Bose-Einstein kondensat, som var stort nok til å bli sett i et mikroskop.

Bose-Einstein-kondensatene er nært relatert til superfluider, men har sitt eget unike sett med egenskaper. Det mest sjokkerende er at en BEC kan redusere lyset fra sin normale hastighet på 300.000 meter per sekund. I 1998 var Harvardforskeren Lene Hau i stand til å senke lyset til bare 60 kilometer i timen ved å skyte en laser gjennom en sigarformet prøve av BEC. I senere eksperimenter var Hau's team i stand til å stoppe lyset helt i en BEC ved å slå av laseren når den passerte gjennom prøven. Disse forsøkene har åpnet helt nye felt av lysbasert kommunikasjon og kvantumberegning.

5Jahn-Teller Metals

Jahn-Teller Metals er det nyeste barnet på stoffblokkene, med forskere som bare har lykkes med å skape dem for første gang i 2015. Hvis bekreftet av andre laboratorier, kan eksperimentet forandre verden som vi vet det, siden Jahn-Teller-metaller har egenskaper til både en isolator og en superleder.

Forskere ledet av kjemiker Kosmas Prassides eksperimenterte med å ta karbon-60 molekyler (allment kjent som buckyballs) og sette inn rubidium i strukturen, noe som tvang karbon-60 molekylene til å ta på seg en ny form. Metallet er oppkalt etter Jahn-Teller-effekten, som beskriver hvordan trykk kan forandre molekylets geometriske form til nye elektronkonfigurasjoner. I kjemi oppnås ikke bare trykk ved å komprimere noe, men kan også oppnås ved å legge til nye atomer eller molekyler i en eksisterende struktur, og endre dens grunnleggende egenskaper.

Da Prassides forskningsteam begynte å sette inn rubidium i karbon-60-molekylene, endret karbonmolekylene fra en isolator til en superleder. På grunn av Jahn-Teller-effekten forsøkte molekylene å holde seg i sin gamle konfigurasjon, noe som skapte et stoff som ser ut til å være en isolator, men har elektriske egenskaper til en superleder. Overgangen mellom en isolator og en superleder hadde aldri blitt sett til disse forsøkene skjedde.

Det som er veldig spennende om Jahn-Teller-metaller, er at de blir en superleder ved høye temperaturer (-135 grader Celsius, i motsetning til -243,2 grader Celsius). Dette gjør dem nærmere håndterbare nivåer for masseproduksjon og eksperimentering.Hvis kravene er korrekte, er vi så mye nærmere masseproduserende materialer som utfører elektrisitet uten motstandsproduksjon uten varme-, lyd- eller energiutslipp, og dermed revolusjonerer energiproduksjon og transport.

4fotografisk materie

I flere tiår var den konvensjonelle visdommen bak fotoner at de var masseløse partikler som ikke samhandlet med hverandre. Men de siste årene har MIT og Harvard forskere oppdaget nye måter å få lys til å ha masse - og har til og med skapt «lette molekyler» som hopper av hverandre og knytter sammen. Hvis det høres kjedelig ut, må du vurdere at det egentlig er det første skrittet for å lage en lightsaber.

Vitenskapen bak fotonisk materie er et lite kompleks, men holder fast i det. (Huske, lightsabers.) Forskere begynte å lage fotonisk materiale gjennom eksperimenter med superkjølt rubidiumgass. Når en foton skyves gjennom gassen, avtar den og interagerer med rubidiummolekylene, mister energi og senker ned. Til syvende og sist kommer fotonet fra gassskyen betydelig, men med sin identitet intakt.

Ting begynner å bli rart når du skyter to fotoner gjennom gassen, noe som forårsaker et fenomen som kalles Rydberg-blokkaden. Når et atom blir begeistret av en foton, kan de nærliggende atomer ikke være begeistret i samme grad. I hovedsak kommer det opphissede atomet i fotenes vei. For at et omkringliggende atom skal bli begeistret av den andre fotonen, må den første fotonen bevege seg fremover gjennom gassen. Fotoner pleier vanligvis ikke å interagere med hverandre, men når de står overfor en Rydberg-blokkade, skyver de hverandre gjennom gassen, handler energi og samhandler med hverandre underveis. Fra et utvendig perspektiv, synes disse fotonene å ha masse og fungere som et enkelt molekyl, selv om de fortsatt er masseløse. Når fotene kommer ut av gassen, ser de ut til å være sammen, som i et lysmolekyl som kan avbøyes og støpes.

Praktiske bruksområder av fotonisk materiale er fortsatt langt unna, men forsker Mikhail Lukin har allerede en hel liste over mulige anvendelser, alt fra databehandling, for å skape 3-D krystaller helt ut av lys, og ja, å lage lysbjelker.

3Disordered Hyperuniformity

Når man prøver å avgjøre om stoffet er en ny tilstand av materie, ser forskerne på stoffets struktur og egenskaper. I 2003 foreslo Salvatore Torquato og Frank H. Stillinger fra Princeton University en ny tilstand av materie kjent som forstyrret hyperuniformitet. Mens det kan virke som en oxymoron, var ideen at den nye typen materie virket uorden når den ble sett på nært hold, men hyperuniform og strukturert over en lang rekkevidde. Slike saken ville ha egenskapene til både en krystall og en væske. I begynnelsen syntes dette bare å forekomme i enkle plasmaer og flytende hydrogen, men nylig har forskere funnet et naturlig eksempel på de mest uvanlige stedene: et kyllingøye.

Kyllinger har fem kegler i øynene deres. Fire oppdage farger og en oppdager lysnivåer. Imidlertid, i motsetning til det menneskelige øye eller de sekskantiske øynene til insekter, synes disse kjeglene å bli spredt tilfeldig uten ordre. Dette skjer fordi kjeglene i et kyllingøye har en ekskluderingssone rundt dem som ikke tillater to kjegler av samme type å sitte ved siden av hverandre. På grunn av ekskluderingssonen og konkenes form kan de ikke danne en bestilt krystallinsk struktur (som de finner i faststoffer), men når alle konene ses som en helhet, viser det seg at de faktisk har en svært bestilt mønster, som det kan ses i disse bildene fra Princeton. Dermed kan vi beskrive kjeglene i et kyllinges øye som en væske når vi ser på nært hold og en solid når vi ser det langt unna. Dette er forskjellig fra de ovennevnte amorfe faste stoffer ved at et hyperuniform materiale vil virke som en væske, mens et amorft faststoff ikke vil.

Forskere undersøker fortsatt denne nye tilstanden, noe som faktisk kan bli mer vanlig enn det som ble opprinnelig tenkt. Akkurat nå ser Princeton forskere på å bruke hyperuniform materialer for å skape selvorganiserende strukturer og lysdetektorer rettet mot svært bestemte bølgelengder.

2String-Net Liquid

Hvilken tilstand av materie er vakuumet i rommet? De fleste har ikke tenkt mye på det spørsmålet, men i det siste tiåret har MITs Xiao-Gang Wen og Harvards Michael Levin foreslått en ny tilstand av materie som kunne holde nøkkelen til å oppdage grunnleggende partikler utover elektronen.

Veien til å utvikle strengenettvannsmodellen startet på midten av 90-tallet, da et lag forskere foreslo hva de kalte "kvasi-partikler", som syntes å forekomme i et eksperiment hvor elektroner gikk mellom to halvledere. Dette forårsaket ganske røre, siden kvasi-partiklene virket som om de hadde en brøkdel, noe som fysikken på den tiden var umulig. Teamet tok disse dataene og foreslo at elektronen ikke var en grunnleggende partikkel i universet, og at det var flere grunnleggende partikler som vi ikke hadde oppdaget ennå. Deres arbeid vant dem Nobelprisen, men det ble senere oppdaget at deres resultater var forårsaket av en feil i forsøket. Ideen om en "kvasi-partikkel" forsvant.

Men noen forskere ga ikke opp det helt. Wen og Levin tok arbeidet med "kvasi-partikler" og foreslo en ny tilstand av materie kjent som strengenett. Denne tilstanden av saken vil ha kvantkompensasjon som sin grunnleggende egenskap. I likhet med uordnet hyperuniformitet, hvis du så på et strengenett nært, synes det å ha et uordnet sett med elektroner.Men ser på hele strukturen, du vil se at den var svært bestilt på grunn av kvanteforbindelsesegenskapene til elektroner. Wen og Levin utvidet sitt arbeid til å omfatte andre partikler og entanglement egenskaper.

Da datamodeller ble kjørt på den nye tilstanden, fant Wen og Levin at enden av et strengenett kunne produsere de forskjellige subatomære partiklene vi har vokst til å elske, inkludert den fabelagtige Äququa-partikkelen. En enda mer sjokkerende , oppdaget de at når strengnettene vibrerte, gjorde de det i samsvar med Maxwells ligninger, som styrer lyset. I sine papirer foreslo Wen og Levin at rommet er fylt med strengnettet av entanglede subatomære partikler og at endene av disse er "Eustrings", de er de subatomære partiklene vi ser. De har også foreslått at denne strengnettet væske er det som forårsaker lys å eksistere. Hvis vakuumet i rommet var fylt med strømsvann, ville det tillate oss å forene materie og lys.

Dette kan alle virke veldig langt, men i 1972 (årtier før strengenettforslaget) oppdaget geologer et merkelig mineral i Chile kjent som herbertsmittitt. Innen mineralet danner elektroner trekantede strukturer, som synes å motsette seg hva vi vet om hvordan elektroner samhandler med hverandre. Denne triangulære strukturen er imidlertid spådd av strengenettmodellen, og forskere har jobbet med kunstig herbertsmittitt for å prøve å bevise modellen nøyaktig. Dessverre er juryen fortsatt ute om denne teoretiske tilstanden faktisk eksisterer.

1Quark-Gluon Plasma

For vår siste uklar tilstand av saken, la oss se tilbake til tilstanden av materie som vi alle startet som: kvark-gluon plasma. Faktisk var det tidlige universet en helt annen tilstand enn materielle klasser. Men først en liten bakgrunn.

Quarks er de elementære partiklene som vi finner inne i hadroner (som protoner og nøytroner). Hadroner er enten sammensatt av tre kvarker eller en kvark og en anti-kvark. Quarks har fraksjonelle kostnader og holdes sammen av gluoner, som er utvekslingspartikkelen for den sterke atomkraft.

Vi ser ikke frie kvarker i naturen, men rett etter Big Bang eksisterte fri kvarker og gluoner i en millisekund. I løpet av denne tiden var universets temperatur så varm at kvarkene og gluonene knapt interagerte med hverandre da de beveget seg nær lysets hastighet. I løpet av denne perioden var universet helt sammensatt av dette varme kvark-gluonplasmaet. Etter en annen brøkdel av et sekund ville universet ha blitt avkjølt nok til å tillate tunge partikler som himmelen til å danne, og kvarker begynte å samhandle med gluoner og hverandre. Fra dette punktet begynte universet som vi vet det, å formere, med hadroner som binder seg til elektroner for å skape primitive atomer.

I dagens faser av universet har forskere forsøkt å gjenskape kvark-gluon-plasma i store partikkelakseleratorer. Under disse forsøkene blir tunge partikler som hadroner knust inn i hverandre, noe som skaper temperaturer som tillater kvarking å avkoble i en kort periode. Fra disse tidlige forsøkene har vi allerede lært om noen av egenskapene til kvark-gluonplasma, som tilsynelatende var helt friksjonsløs og nærmere en væske enn vår normale forståelse av plasma. Som forskere fortsetter å eksperimentere med denne eksotiske tilstanden, vil vi lære mer og mer om hvordan og hvorfor vårt univers dannet måten det gjorde.